ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к осветительной технике, в частности, к осветительному прибору, которые позволяют получить экономичные, комфортные для восприятия глазом, однородные световые потоки при использовании светодиодных источников света для освещения жилых, технологических и технических помещений.
Уровень техники
В настоящее время известны световые приборы, в которых используются светодиодные источники света, в которых для обеспечения более равномерного светового потока применяется диффузионное рассеяние света. См., к примеру, патенты РФ на полезную модель №95886 (опубл. 10.07.2010) и №93929 (опубл. 10.05.2010), а также заявку на патент США №2011/0042700 (опубл. 24.02.2011).
Недостаток таких технических решений состоит в наличии рассеивающих частиц в материале световодного элемента, пропускающего свет от светодиодов.
Известна также фокусировка светового потока различными линзами, как, например, в патенте РФ на полезную модель №95181 (опубл. 10.06.2010). Однако такая фокусировка, хотя при ней не используются светорассеивающие частицы в материале световодного элемента, не в состоянии обеспечить равномерное освещение вследствие присущих любым линзам искажений (аберраций).
Раскрытие полезной модели
Таким образом, цель настоящей полезной модели состоит в том, чтобы обеспечить:
- преобразование световых пучков от источников в один или несколько выходящих световых пучков большего поперечного сечения;
- более равномерную яркость выходящих пучков по сечению;
- высокий КПД по вводу-выводу светового излучения; и
- заданное направление (направления) выходящих пучков.
Для достижения указанной выше цели в объекте настоящей полезной модели предложен осветительный прибор, содержащий световодный элемент, изготовленный удлиненной формы и имеющий в по меньшей мере одном продольном сечении основание и две боковые стороны, сужающиеся от основания к вершине, при этом основание каждого из продольных сечений расположено на торце световодного элемента, и направленный световой источник, расположенный на торце световодного элемента для направления светового потока в этот торец, при этом угол между направлением светового потока от направленного светового источника и направлением удлинения световодного элемента выбран в таком диапазоне, чтобы световой поток испытывал по меньшей мере одно полное внутреннее отражение от упомянутых сужающихся боковых сторон в по меньшей мере одном продольном сечении световодного элемента и выходил через одну из этих сужающихся боковых сторон после по меньшей мере одного из полных внутренних отражений.
Особенность осветительного прибора по настоящей полезной модели состоит в том, что коэффициент преломления материала световодного элемента, а также пределы углов между сужающимися боковыми сторонами в тех из продольных сечений, в которых происходит распространение светового потока, и диапазон углов, под которыми световой поток входит в световодный элемент, могут быть выбраны так, чтобы световой поток выходил через одну и ту же из сужающихся боковых сторон.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящей полезной модели состоит в том, что световодный элемент может быть выполнен изогнутым так, что в по меньшей мере одном из продольных сечений, в которых происходит распространение светового потока в световодном элементе, образуется плавно сужающаяся фигура с выпуклостью в сторону выхода светового потока из световодного элемента.
При этом световодный элемент может быть выполнен в виде плавно изогнутой пластины, полученной параллельным переносом плавно сужающейся фигуры в направлении, перпендикулярном плоскости этой фигуры, а на торце световодного элемента может быть размещено множество направленных световых источников. Либо световодный элемент может быть выполнен в виде тела вращения, полученного вращением плавно сужающейся фигуры вокруг оси, лежащей в плоскости этой фигуры и вне этой фигуры вблизи ее острого конца, а на торце световодного элемента может быть размещено множество направленных световых источников.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящей полезной модели состоит в том, что световодный элемент может быть выполнен изогнутым так, что в по меньшей мере одном из продольных сечений, в которых происходит распространение светового потока в световодном элементе, образуется многосторонняя сужающаяся фигура, ограниченная ломаными линиями, имеющими выпуклость в сторону выхода светового потока из световодного элемента.
При этом световодный элемент может быть выполнен в виде изогнутой с изломами пластины, полученной параллельным переносом многосторонней сужающейся фигуры в направлении, перпендикулярном плоскости этой фигуры, а на торце световодного элемента могут быть размещены множество направленных световых источников. Либо световодный элемент может быть выполнен в виде тела вращения, полученного вращением многосторонней сужающейся фигуры вокруг оси, лежащей в плоскости этой фигуры и вне этой фигуры вблизи ее острого конца, а на торце световодного элемента может быть размещено множество направленных световых источников.
Еще одна особенность осветительного прибора по настоящей полезной модели состоит в том, что направленные световые источники могут быть размещены на торце световодного элемента равномерно.
Наконец, еще одна особенность осветительного прибора по настоящей полезной модели состоит в том, что в качестве по меньшей мере одного направленного светового источника может быть использован светодиод.
Краткое описание чертежей
Полезная модель иллюстрируется сопровождающими чертежами.
Фиг.1 представляет вид в перечном сечении световодного элемента в соответствии с одним вариантом осуществления настоящей полезной модели.
Фиг.2 показывает схему распространения лучей в эллипсе с отношением длин полуосей a/b=2.
Фиг.3 иллюстрирует исходное распределение светового потока от точечного источника.
Фиг.4 показывает долю η излучения, выходящего наружу из эллипса в зависимости от угла φ наклона пучка света относительно оси, соединяющей фокусы эллипса; указаны точки 1-4, соответствующие углам наклона, при которых наружу выходит 15% полной мощности источника.
1
1
2
2
Фиг.5 демонстрирует участки АВ и AB поверхности эллиптической линзы из стекла, через которые наружу выходит 0,15 мощности источника в фокусе 1.
2
2
Фиг.6 представляет схему построения участка АВ нижней (нерабочей) поверхности световодного элемента с полным внутренним отражением; фокусы 1 большого и малого эллипсов совпадают.
2
2
Фиг.7 показывает углы падения лучей пучка на поверхность АВ по Фиг.6.
Фиг.8 иллюстрирует угловые функции распределения светового пучка в световодном элементе по Фиг.6.
Фиг.9 дает условный вид световодного элемента с фиксированной мощностью (15% от общей), выходящей при каждом отражении светового пучка от верхней (рабочей) поверхности, при не выходе излучения через нижнюю поверхность (угловые соотношения сохранены точно) согласно настоящей полезной модели.
Фиг.10 показывает исходную (0) и угловые функции распределения после каждого отражения 1-11 в световодном элементе по Фиг.9.
Фиг.11 демонстрирует световодный элемент согласно возможному варианту осуществления настоящей полезной модели.
Подробное описание вариантов осуществления полезной модели
Осветительный прибор согласно настоящей полезной модели содержит световодный элемент и по меньшей мере один направленный световой источник. Для начала рассмотрим световодный элемент с сужающимися от основания боковыми сторонами (11) в поперечном сечении, которое условно показано на Фиг.1. Это может быть клиновидный либо конусовидный световодный элемент, то есть изготовленный удлиненной формы и имеющий в по меньшей мере одном продольном сечении основание и две боковые стороны, сужающиеся от основания к вершине, при этом основание каждого из упомянутых продольных сечений расположено на торце световодного элемента.
1
2
k
k
*
*
*
*
*
*
В световодном элементе с поперечным сечением по Фиг.1 луч от светового источника (12), расположенный на торце световодного элемента для направления светового потока в этот торец и имеющий угол θ относительно продольной оси световодного элемента, испытывает первое отражение под углом φ=π/2-θ-α/2, от левой рабочей поверхности световода и проходит дальше. После второго отражения (отражения от правой рабочей поверхности) φ=π/2-θ-3α/2, после k-го отражения угол будет равен φ=π/2-θ-α(k-1/2), т.е. φ уменьшается с каждым отражением. Таким образом, при некотором отражении k(θ) (на Фиг.1 k(θ)=2) окажется, что , где φ - угол полного внутреннего отражения для материала световода с показателем преломления n. При отражении k и последующих свет начнет выходить из световода наружу. Таким образом, на начальном этапе распространения света, при k<k(θ) происходит его перенос вдоль направления удлинения световода без выхода наружу, а затем, при k≥k(θ) - и перенос и выход излучения наружу. Лучи источника с большим углом θ относительно продольной оси световода будут выходить ближе к входному торцу световода, а лучи с меньшим θ - дальше от этого торца.
То есть угол между направлением светового потока от направленного светового источника и направлением удлинения световодного элемента выбран в таком диапазоне, чтобы световой поток испытывал по меньшей мере одно полное внутреннее отражение от упомянутых сужающихся боковых сторон в упомянутом по меньшей мере одном продольном сечении световодного элемента и выходил через одну из этих сужающихся боковых сторон после по меньшей мере одного из упомянутых полных внутренних отражений. Таким образом, обеспечивают равномерность выхода излучения с боковых поверхностей световода.
Если теперь коэффициент преломления материала световодного элемента, а также пределы углов между сужающимися боковыми сторонами (11) в тех продольных сечениях, где происходит распространение светового потока, а также диапазон углов, под которыми световой поток входит в световодный элемент, выбрать так, чтобы световой поток выходил через одну и ту же из сужающихся боковых сторон (11), получится световодный элемент с излучением только с одной стороны. Указанный подбор коэффициента преломления и соответствующих углов представляет собой достаточно сложную задачу, которая в каждом конкретном случае решается с помощью математического моделирования.
Приведенный на Фиг.1 световодный элемент можно изогнуть так, что хотя бы в одном из продольных сечений, где происходит распространение светового потока в световодном элементе, образуется плавно сужающаяся фигура с выпуклостью в сторону выхода светового потока из световодного элемента.
0
1
2
1
Рассмотрим теперь случай, когда изогнутые линии в продольном сечении такого световодного элемента представляют собой отрезки эллипсов. Для простоты, сначала обратимся к Фиг.2, где точечный источник (12) света, дающий световой поток в пределах угла 2θ, помещен в одном из фокусов эллипса. Эллипс выполнен из материала с показателем преломления n, снаружи находится материал с показателем преломления n<n. Направление пучка источника (12) относительно поверхности эллипса определяется углом φ наклона правой границы пучка относительно горизонтальной оси, соединяющей фокусы эллипса.
Некоторый луч из пучка имеет угол φ+θ относительно горизонтальной оси. Соответствующий этому лучу отраженный луч имеет угол φ'+θ', где φ' - угол наклона, относительно горизонтальной оси, крайнего в пучке слева отраженного луча, а θ' отсчитывается от этого луча. Поскольку углы ϕ одинаковы, угол падения выбранного луча .
Чтобы определить связь между углами θ и θ' воспользуемся уравнением эллипса в полярных координатах [1]
Как видно из Фиг.2, для каждого луча в пучке источника выполняется соотношение ρcos(φ+θ)+ρ'cos(φ'+θ')=2ae. Тогда, подставляя в это соотношение выражение (1), находим
cos(φ'+θ')=F(φ+θ),
где, как следует из Фиг.2,
0
cos(φ')=F(φ+2θ).
Выражение (2) устанавливает связь между θ и θ'.
1
2
0
Для определенности предположим, что световодный элемент (и эллипс на Фиг.2) сделаны из стекла n≡n=1.55, вокруг которого находится воздух с n=1. Источник (12) создает световой поток в пределах угла 2θ=30°, с гауссовым угловым распределением излучаемой мощности
0
дисперсия Δθ=θ/3=5°,  (см. Фиг.3.)
Относительная часть мощности излучения источника (12), вышедшая в среду 2, определяется по формуле:
где угол падения α=α(θ, φ) определяется (0) с учетом выражения (2). Коэффициент отражения (по интенсивности) неполяризованного излучения
*
*
R(θ)=1, θ>θ, θ - угол полного внутреннего отражения, ,
- известные френелевские коэффициенты отражения по амплитуде поля,
.
На Фиг.4 показана доля η(φ) излучения, выходящего наружу из эллипса с аспектным отношением а/b=2.
1
2
1
0
2
0
1,2
Участки с η(φ)=0 соответствуют полному внутреннему отражению. Указаны углы наклона φ=73.2° и φ=357.6° (соответствующие точкам 1 и 2 на графике) при которых наружу выходит η=0.15 мощности источника. Точки 4 и 3 отвечают углам 2π-(φ+2θ)=256.8° и 4π-(φ+2θ)=332.4° для пучков, симметричных пучкам с φ относительно горизонтальной оси. Участки поверхности эллипсоида, через которые проходит 0,15 мощности источника указаны на Фиг.5.
1
1
1
1
*
Следует отметить, что относительно небольшое изменение углов приводит к заметному изменению энергии, выходящей из эллипса. Например, если φ уменьшить до φ=71.8°, т.е. на 1.4°, то оказывается η=0.1, а если φ увеличить до φ=74.2°, т.е. на 1° то η=0.2. Это связано с тем, что коэффициент отражения (5) существенно зависит от угла падения θ только для углов, близких к θ. Таким образом, при жестком требовании на заданную мощность (с погрешностью менее 5%) выходного излучения форма поверхности световодных элементов (а также положение источника света и угловое распределения его мощности) должны быть выдержаны и известны достаточно точно.
1
1
1
1
1
1
Световодный элемент на Фиг.6 включает в себя источник 1 и участок AВ рабочей поверхности с показанной ориентацией друг относительно друга. После отражения от участка АB, с частичным выходом наружу, пучок сфокусируется и будет распространяться по направлению к фокусу 2 эллипса. Чтобы вновь дефокусировать пучок и направить его вдоль световодного элемента, часть его поверхности, от которой произойдет второе отражение пучка, должна быть дефокусирующей (т.е. вогнутой относительно направления распространения пучка) эллиптической линзой. При этом углы падения лучей пучка на поверхность этой линзы должны быть больше угла полного внутреннего отражения, тогда излучение не будет выходить наружу из световодного элемента. Очевидно, что вторая поверхность в виде эллипса с тем же эксцентриситетом е, что и для первой поверхности, не подходит, т.к. углы падения лучей на нее будут такими же, как и на первую, т.е. меньше угла полного внутреннего отражения, и часть излучения выйдет из световодного элемента наружу (т.е. внутрь эллипса). Таким образом, необходимо либо изменить (увеличить) аспектное отношение для эллипса, соответствующего второй поверхности, либо повернуть этот эллипс относительно его фокуса так, чтобы при падении лучей на его поверхность все они испытывали полное внутреннее отражение. Очевидно, что если в качестве второй поверхности взять часть эллипса с длиной большей полуоси 3,3 и аспектным отношением 2,2, как Фиг.6 (аспектное отношение для большего эллипса на Фиг.6 равно 2, а длина его большей полуоси - 4), то каждый луч из пучка будет испытывать на этой поверхности полное внутреннее отражение, и свет не выйдет наружу. Действительно, определим, как видно из Фиг.6, углы φ' и φ”, согласно (2)  и
2
2
1
1
2
1
1
2
*
2
2
2
*
Угол падения пучка на участок АB поверхности - один и тот же, для пучка, падающего на участок снаружи или изнутри меньшего эллипса на Фиг.6 определяется выражением, аналогичным (0), , где φ изменяется от φ' до φ”. Зависимость α(φ), φ'<φ<φ” показана на Фиг.7. Как видно из Фиг.7, α(φ)>θ т.е. излучение не выходит из световодного элемента через участок АВ. При этом отметим, что минимальное аспектное отношение, при котором α(φ)>θ, равно 2,16. Для внутреннего эллипса на Фиг.6 можно взять аспектное отношение a/b>2.16, можно также изменять размеры эллипса, сохраняя аспектное отношение, что поможет оптимизировать взаимное расположение участков поверхности.
3
3
1
1
3
3
3
3
3
3
3
3
Для того, чтобы при третьем отражении пучка от границ световодного элемента, т.е. от участка АВ на Фиг.6, наружу выходила бы заданная часть полной мощности излучения источника (например, те же 15%, как и при отражении от участка AВ) форма поверхности участка АB должна отличаться от формы участка поверхности большого эллипса. Но даже если, по случайному совпадению, окажется, что из участка АВ большего эллипса выходит около 15% полной мощности источника, то после третьего отражения, в этом случае, ход лучей станет трудно описывать, т.к. пучок, отражающийся от АВ, исходит из точки 2 на Фиг.6, не являющейся фокусом большого эллипса. Таким образом, форму участка поверхности AB следует изменить так, чтобы она соответствовала некоторому эллипсу с фокусом в точке 2 (он же - фокус малого эллипса на Фиг.6). Геометрические параметры этого третьего эллипса должны обеспечивать вывод наружу заданной доли (15%) мощности света.
3
3
1
1
Также необходимо отметить, что угловое распределение мощности источника при переходе от него к участку АВ изменяется, как за счет выхода части излучения через участок AB, наружу, так и из-за фокусировки и дефокусировки пучка при отражении от поверхностей световодного элемента.
Найдем функцию распределения после первого отражения. До фокусировки
1
где α(θ, φ) определяется (0) с учетом выражения (2). После фокусировки мощность в малом интервале углов
где θ и θ' связаны выражением (2). Из уравнения (7) следует функция распределения после первого отражения
Определим θ(θ'). Поскольку выражение (2) симметрично относительно φ'+θ' и φ+0, т.е. cos(φ+0)=F(φ'+θ'), то
1
1
1
1
θ' изменяется от 0 до φ”-φ', а φ”, φ' определяются из выражения (5а). На Фиг.8 показаны угловые функции распределения: начальная для источника - кривая 1, после первого отражения до фокусировки - кривая 2, после первого отражения и фокусировки - кривая 3, для сравнения приведена кривая 4, соответствующая фокусировке при 100% отражении.
2
Аналогичным образом определяется угловая функция распределения f(θ') после второго (полного внутреннего) отражения - она представлена на Фиг.8 кривой 5,
2
2
2
2
1
2
1
2
1
При расчетах следует взять эксцентриситет малого эллипса на Фиг.6 . Угол θ' меняется от 0 до 2θ=φ”-φ'=29.1°, где φ”=arccos[F(φ')], φ'=arccos[F(φ”)], θ(θ')=arccos[F(φ”+θ')-φ'. Как видно из Фиг.6, после второго отражения произошла небольшая фокусировка пучка, по сравнению с исходным пучком. Можно убедиться в том, что при выбранных элементах границ световодного элемента пучок после второго отражения содержит 85% энергии исходного пучка:
Чтобы определить следующий участок поверхности световодного элемента, следует решить уравнение, аналогичное (4)
где
2
2
3
2
3
3
и φ=φ'+θ, φ=arccos [F(φ)]. В качестве переменной в выражении (2) для F выберем эксцентриситет е, а длину большей полуоси третьего эллипса можно подобрать так, чтобы геометрически сопрячь третий участок поверхности световодного элемента с первым. Таким образом, требуется решить уравнение (11) η(е)=0.15 относительно е, которое входит в выражение для φ. Решение последнего уравнения дает е=e=0.723, что определяет аспектное отношение . Для третьего участка поверхности световодного элемента можно выбрать эллипс с длиной большей полуоси а=3.911, меньшей полуоси b=2.7, причем левый фокус третьего эллипса совпадает с левым фокусом второго.
Аналогичным образом могут быть достроены (различными способами) последующие элементы поверхности световодного элемента. На Фиг.9 показан, например, световодный элемент, участки поверхности которого получены путем определения эксцентриситетов соответствующих эллипсов и (или) путем наклона осей эллипсов относительно горизонтали. Такой световодный элемент выполнен так, что в его поперечном сечении образуется многосторонняя сужающаяся фигура, ограниченная ломаными линиями, имеющими выпуклость в сторону выхода светового потока из световодного элемента. Источник излучения располагают на торце (наиболее широкой части поперечного сечения) упомянутого световодного элемента.
На Фиг.9 световодный элемент выполнен из семи боковых граней, которые образуют выпуклую эллипсоидальную поверхность для вывода излучения от упомянутого источника излучения, и семи боковых граней, которые образуют вогнутую эллипсоидальную поверхность для отражения излучения от упомянутого источника излучения, соответственно. Через участки поверхности, отмеченные на выпуклой части световодного элемента, выходит 15% полной мощности излучения, а отражения света от участков, отмеченных на вогнутой части световодного элемента, происходят без выхода излучения наружу.
На Фиг.10 представлены исходная и угловые функции распределения излучения после каждого отражения.
Все вышеприведенное рассмотрение было сделано для случая плоского поперечного сечения. Реальный световодный элемент может быть изготовлен по-разному. К примеру, световодный элемент, имеющий в поперечном сечении сужающуюся фигуру по Фиг.1, 6 или 9, может быть выполнен в виде пластины, полученной параллельным переносом этой сужающейся фигуры в направлении, перпендикулярном плоскости этой фигуры. На торце такого световодного элемента размещают множество направленных световых источников, например, светодиодов.
Другой пример световодного элемента показан на Фиг.11. Такой световодный элемент выполнен в виде тела вращения, полученного вращением сужающейся фигуры по Фиг.1, 6 или 9 вокруг оси, лежащей в плоскости этой фигуры и вне этой фигуры вблизи ее острого конца. На торце световодного элемента также размещают множество направленных световых источников, например, светодиодов.
Также возможно выполнение световодного элемента таким образом, что в по меньшей мере одном из продольных сечений, в которых происходит распространение светового потока в световодном элементе, образуется многосторонняя сужающаяся фигура, ограниченная ломаными линиями, имеющими выпуклость в сторону выхода светового потока из световодного элемента. Причем световодный элемент может быть выполнен как в виде изогнутой с изломами пластины, полученной параллельным переносом упомянутой многосторонней сужающейся фигуры в направлении, перпендикулярном плоскости этой фигуры, так и в виде тела вращения, полученного вращением упомянутой многосторонней сужающейся фигуры вокруг оси, лежащей в плоскости этой фигуры и вне этой фигуры вблизи ее острого конца.
Размещение светодиодов или иных направленных световых источников на торце любого световодного элемента по настоящей полезной модели целесообразно производить равномерно, если необходимо получить полный световой поток с равномерно распределенной плотностью. Тогда формируемый световой поток, в случае выполнения световодного элемента в виде изогнутой пластины, будет направлен в одну сторону, а в случае выполнения световодного элемента в виде тела вращения - во все стороны.
Понятно, что при ином выполнении световодного элемента - например, в виде выпуклого тела, подобного показанному на Фиг.11, но не сферической, а эллипсоидной формы в сечении, перпендикулярном вертикальной оси - световой поток может иметь различную плотность в разных направлениях.
Настоящая полезная модель может быть использована в демонстрационных вывесках, указателях различной информации, световых рекламах, осветительных устройствах для медицинских применений и прочих световых устройствах.
Таким образом, настоящая полезная модель обеспечивает достижение поставленной цели путем преобразования световых пучков от источников в один или несколько выходящих световых пучков большего поперечного сечения, дающих более равномерную яркость выходящих пучков по сечению с высоким КПД по вводу-выводу светового излучения и в заданных направлениях выходящих пучков.