СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ, "ЯРИЛКО"
METHOD OF BALL-SHAPE RADIATION PATTERN PLOTTING, "YARILKO"

Изобретение относится к области светотехники и касается способов проектирования ламп с шарообразной формой излучения при использовании «точечных» источников излучения на плоскости, например, светодиодов. Формирователи светового потока могут использоваться как для независимого проектирования ламп на основе точечных светоизлучающих источников света, так и как дополнительные оптические системы к выпускаемым промышленностью светодиодных или других видов точечных источников света.
В настоящее время выпускается большое количество видов мощных светодиодов с различными несъемными и съемными оптическими системами, имеющими узкую или широкую диаграмму направленности излучения до 120-140°. До появления мощных светодиодов и в настоящее время пока в различных светильниках и люстрах властвуют лампочки накаливания, имеющие шарообразную диаграмму направленности излучения. Задачей данного изобретения является полная замена их светодиодными источниками света, по сути, являющиеся точечными источниками света, ограниченные плоскостью подложки и корпуса излучателя. Предлагаемый способ позволяет преодолеть этот принципиальный недостаток светодиодов.
Известен способ, реализованный в устройстве «Светильник» по а.с. №700743 от 02.06.78, по которому в оптической системе зеркал применяют и соосно устанавливают конусную зеркальную поверхность и зеркальный сферический пояс, между которыми помещают кольцевой источник света. Данный способ предназначен для крупногабаритных кольцевых источников света и не дает возможности использовать его без потерь светоизлучения для мощных светодиодов.
Известен способ, описанный в патенте RU 2303800 от 15.12.2005 «Линза для формирования излучения светодиода», по которому в прозрачной пластмассовой насадке для светодиода используют ее внутреннее отражение и прямое излучение светодиода в направлении перпендикулярном оптической оси. Данный способ не решает задачи шарообразного излучения светодиода.
Известен способ, изложенный в а.с. №402718 от 27.12.71 «Оптическая система прожектора с трубчатыми лампами большой мощности», в котором применяют систему зеркал для формирования заданного пучка света, однако, он не позволяет при использовании его для формирования требуемой формы излучения светодиода в небольших объемах жестко закреплять зеркала без потерь излучения светодиода.
Наиболее близким решением к поставленной задаче является способ, примененный в устройстве RU 2447542 от 11.01.2011, « Лампа светодиодная», по которому на шарообразном, но в непрозрачном теле, на его поверхности размещают множество светодиодов снабженных зеркальными световыми отражателями.
Недостатками способа, реализованного в данном устройстве, являются применение множества светоизлучающих элементов и связанное с этим уменьшение надежности изделия из-за сложности их соединения и сборки всего устройства.
Технический результат, заключающийся в использовании одного мощного светодиода и получения шарообразной диаграммы направленности, решается следующим образом. Вначале в сечении предполагаемого прозрачного шара излучения задают количество объемных световодных секций излучения, размер входящего окна излучения и его расстояние от точечного источника излучения.
Во входящем окне прозрачного тела определяют радиусы входящих условных границ секций во входящем окне по равенству плотности выходящего светового потока секции относительно плотности светового потока в центральной секции. Определяют диаграмму направленности излучения точечного источника излучения, совмещают ее с входящим окном и определяют относительные максимальному излучению в диаграмме направленности излучения коэффициенты, количество которых соответствует количеству секций излучения в предполагаемом шаре излучения. По имеющимся возможностям или корректируют диаграмму направленности излучения в секциях входящего окна до максимального значения, или по найденным коэффициентам изменяют соотношение радиусов границ секций во входящем окне для равномерности излучения на выходе шара. В секциях шара формируют объемные концентрические зеркальные световоды, исходящие от границ секций входящего окна через центральную область шара к поверхности шара. Кривизну объемных зеркал световодов для каждой секции проектируют таким образом, чтобы входящие лучи источника излучения в центральной области шара для каждой секции, отражаясь от зеркал, проектировались на оболочке в заданных местах без зазоров при соблюдении равномерности отраженного излучения в зоне каждой секции. В центральной секции во входящем окне помещают зеркальный рассекатель, который позволяет избежать прямого проникновения лучей излучателя за пределы шарообразного формирователя излучения. При использовании действительных фокусов отраженных лучей внутри шара прозрачное тело уменьшают и формируют его границы вблизи действительных фокусов, поверхности выхода лучей которых выполняют сферическими для минимального преломления лучей. Для обеспечения некоторого рассеивания света оболочку шара выполняют матовой.
Изготовление формирователя светового потока осуществляют последовательно, начиная от центра, известными способами формирования прозрачного материала секций шара. Перед каждым формированием следующей секции предварительно в заданных местах зеркально покрывают поверхность предыдущей секции.
Предлагаемый способ формирования светового потока точечного источника излучения в равномерный шаровой поток излучения позволяет при реализации в изделиях с мощными светодиодами заменить лампочки накаливания на энергосберегающие светодиодные в светильниках и люстрах без изменения их конструкций.
Реализация способа показана на чертежах, где:
На фиг.1 показан пример сечения шара для расчета площадей выходных поверхностей секторов на оболочке шара и радиусов входящих окон от точечного источника излучения.
На фиг.2 показан в сечении пример реализации из 4 секторов с мнимыми фокусами шарового формирователя излучения от точечного источника.
На фиг.3 показан в сечении пример реализации из 10 секторов с мнимыми фокусами шарового формирователя излучения от точечного источника.
На фиг.4 показан в сечении пример реализации из 3 секторов с мнимыми фокусами шарового формирователя излучения от точечного источника.
На фиг.5 показан в сечении пример реализации аналогично примеру фиг.2, но с действительными фокусами.
На фиг.6 показан в сечении пример реализации аналогично примеру фиг.3, но с действительными фокусами.
На фиг.7 показан в сечении пример реализации аналогично примеру фиг.4, но частично с действительными фокусами.
На фиг.8 показан в сечении пример реализации аналогично примеру фиг.4, но полностью с действительными фокусами.
На фиг.9 показан в сечении пример реализации минимизации объема прозрачного тела для фиг.5.
На фиг.10 показан в сечении пример реализации минимизации объема прозрачного тела для фиг.6.
На фиг.11 показан в сечении пример реализации минимизации объема прозрачного тела для фиг.7.
На фиг.12 показан в сечении пример реализации минимизации объема прозрачного тела для фиг.8.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. При создании соответствующей кривизны зеркальных плоскостей внутри прозрачного тела можно создать любое требуемое направление отраженных лучей. В идеальном шарообразном излучателе источник света должен находиться в центре шара. Исходя из этого, можно создать условия отражения света, подобные идеальным, и для точечного источника света, ограниченного плоскостью, например, для светодиода.
o
1
2
3
Так на фиг.1 шара 1, его оболочки 2 показано его сечение 3. Рассмотрим левую часть сечения 3 относительно оси 4 шара 1, предполагая, что при вращении сечения 3 вокруг оси 4 опишется тот же шар 1. Поэтому, правая часть сечения 3 является отражением левой. В сечении 3, например, поделим, например, дугу оболочки 2 на 6 одинаковых частей по 30°. Выделим 4 части под световодные секции, секцию 5 - центральную и следующие за ней секции 6-8. Часть 9 оставим свободной, а часть 10 - выделим под входящее окно излучения точечного источника 11 лучами 12-i. В результате образуем секцию 5 с входящим окном 10-0, радиусом r и выходной оболочкой 2-5, секцию 6 с входящим окном 10-1, радиусом r и выходной оболочкой 2-6, секцию 7 с входящим окном 10-2, радиусом r и выходной оболочкой 2-7, секцию 8 с входящим окном 10-3, радиусом r и выходной оболочкой 2-8. В итоге получим раскрыв лучей излучения шара 1-240°, что примерно соответствует диаграмме направленности лампочки накаливания.
0
Для решения поставленной задачи равномерного излучения шарового формирования светового потока определим соотношения площадей выходящих и входящих окон выделенных световодных секторов. Пусть единичной площадью S выходящих окон секторов 5, 6, 7, 8 будет окно 2-5 центрального сектора 5, (фиг.1).
1
где R - радиус шара, h- высота хорды оболочки 2 окна 2-5 центрального сектора 5.
В данном случае
1
И при R=1 и α=30°
и
0
S=2·π·1·0,13397=0,84178
2
Для секции 6 угол α=60°
1
S=2,29980
Для секции 7
Для секции 8
3
2
S=S=π=3,14159
i
Далее определим коэффициенты k, во сколько раз площади секторов превышают единичную площадь сектора 5.
При единичной диаграмме направленности излучения точечного источника 11 в раскрыве входящего окна 10 соотношения входящих площадей секторов 5, 6, 7, и 8 должны быть в соответствующих пропорциях с площадями выходящих окон секторов шара 1.
Пусть площадь входящего окна 10-0 центрального сектора 5
0
где r - радиус входящего окна 10-0 сектора 5.
1
Площадь  входящего окна 10-1 второго сектора 6 равна разности площадей второго круга 10-1 и круга входящего окна 10-0 центрального сектора 5 и соотносится с коэффициентом k
Соответственно
0
И при r=1
Площадь  третьего входящего окна 10-2 сектора 7
2
а радиус r третьего круга 10-2
Площадь  четвертого входящего окна 10-3 сектора 8
3
и радиус r четвертого круга 10-3
3
i
i
Пусть в приведенной схеме разделения сферы шара 1 радиус круга 10-3 r=1 и, соответственно, коэффициенты ρ для радиусов r входящих окон секторов 5, 6, 7, 8
0
0
3
ρ=r/r=0,2988
1
1
3
ρ=r/r=0,5772
2
2
3
ρ=r/r=0,8164
3
ρ=1
i
д
i
i
Это мы определили коэффициенты ρ для случая идеального равномерного распределения светового потока излучателя 11 в входящих окнах секторов шара 1. В действительности это не так и для равномерного распределения светового потока на выходе секторов шара 1 требуется сформировать на их входах скорректированный световой поток или в соответствии с коэффициентами диаграммы направленности k светового потока излучателя 11 пересчитать коэффициенты ρ для радиусов r входящих окон секторов 5-8. Чем меньше входная интенсивность излучения, тем больше должна быть относительная входная площадь соответствующего сектора.
Итак, на расстоянии L, (фиг.2), в пределах величины радиуса R шара 1 от входящего окна 10 установим излучатель 11 и рассмотрим по одному из вариантов построение световода 5-s сектора 5. В его входящее окно 10-0 от излучателя 11 поступают лучи 12-0-j. Наша задача равномерно распределить их в выходящем окне 2-5 сектора 5, исключив их прямое прохождение от источника 11. Это необходимо для смещения кольцевого фокуса 5-f кажущего источника излучения 11 к центру шара 1, что позволяет обеспечить равномерную плотность светового потока, исключение темных зон и небольшое рассеивание света. Для этого на прозрачном материале световода 5-s сектора 5 сформируем три круговые зеркальные поверхности - конусообразную - 5-z-0, цилиндрическую первую - 5-z-1, цилиндрическую вторую - 5-z-2 и клинообразную 5-z-3 на световом рассекателе - 13. Конусообразная поверхность 5-z-0 должна перекрывать прилегающую часть светового потока от входящего окна 10-0, а рассекатель 13 - центральную часть светового потока от входящего окна 10-0. Границы зеркал 5-z-0, 5-z-1, 5-z-2 не должны выходить за пределы раскрыва прохождения лучей 12-0-j. Их формируем от центра 4-0 выходящего окна 2-5 сектора 5 перекрещивающимися по оси 4 к зеркалу 5-z-2 с таким расчетом, чтобы световой поток лучей 12-0-j приходил расщепленным пучком. Одна часть, 12-0-1, которого отражалась бы от поверхности 5-z-3 рассекателя 13 через поверхность 5-z-2 с мнимым кольцевым фокусом 5-f-0-1 к центральной поверхности круговой площади оболочки 2 выходящего окна 2-5 сектора 5. Другая, 12-0-2, - от цилиндрической поверхности 5-z-1 с мнимым кольцевым фокусом 5-f-0-2 к приграничной поверхности выходной площади оболочки 2 выходящего окна 2-5-0 в секторе 5. Четкие границы этих поверхностей не обязательны с условием равномерности выходящего светового потока лучей 12-0 выходящего окна 2-5 в секторе 5.
Кривизну зеркал аппроксимируем по точкам пересечения входящих и отраженных лучей 12-0-j. Таким образом, формируем прохождение лучей 12-0-j в центральном секторе 5 из выходящего окна 2-5.
Аналогично, начиная от выходящего окна, формируем прохождение лучей 12-i-j для секторов 6, 7 и 8 для соответствующих выпуклых зеркал 6-z-1, 7-z-1, 8-z-t с мнимыми кольцевыми фокусами 6-f, 7-f, 8-f и вогнутых 6-z-2, 7-z-2 и 8-z-2. В раскрывах лучей 12-0-j выходящих окон 6, 7 и 8 формируем сходящиеся пучки к зеркалам 6-z-1, 7-z-1, 8-z-1 и параллельные к вогнутым зеркалам 6-z-2, 7-z-2 и 8-z-2. По точкам пересечения входящих и отраженных лучей формируем кривизну соответствующих зеркал.
Итак, для формирования шарообразного излучения для четырех секторов потребовалось 10 объемных зеркал.
i
i
0
i
i
i
9
Из всего многообразия вариантов построения формирования светового потока рассмотрим теперь вариант с большим количеством секторов, например, - с десятью. Вначале проведем те же необходимые операции. В сечении 3, (фиг.3), поделим оболочку 2 шара 1 на 12 частей, из которых 10 выделим под сектора 14-23 и 2 на входящее окно 10. Аналогично проведем вычисление площадей S выходящих окон и их соотношение k относительно площади S центрального выходящего окна 2-14. Затем по вычисленным коэффициентам k вычислим соответствующие радиусы r входящих окон 10-i и найдем для них нормированные коэффициенты ρ относительно максимального радиуса r входящего окна 10-9.
Поместим источник излучения 11, (фиг.3), на расстояние L от входящего окна 10. Поверхность входящих окон 10-i образуем с кривизной одинаково отстоящей от источника 11. Таким образом, по раскрыву во входящем окне 10 прохождения лучей 12-i у каждого окна 10-i получаем их прохождение без преломления для всех входящих окон световодов 14-s-23-s независимо от показателя преломления света применяемого прозрачного материала шара 1.
Центральный световод 14-s имеет меняющийся диаметр по раскрыву лучей 12-0 источника 11. В его центре в пределах расстояния половины радиуса шара 1 от его оболочки установим зеркальный клинообразный световой рассекатель 24, перекрывающий в этом месте половину диаметра центрального световода 14-s. Кривизну отражающего зеркального клина 14-z-1 рассекателя 24 выполняем такой, чтобы слегка расходящиеся лучи отражались параллельным потоком. На внешней стенке прозрачного световода 14-s установим зеркало 14-z-2. Кривизну и наклон клина 14-z-1 рассекателя 24 выполняем такой, чтобы отраженные от зеркала 14-z-2 лучи, пересекаясь, оставляли место для приема вторым клинообразным зеркалом 14-z-3 рассекателя 24 отраженных лучей от зеркала 14-z-4, перекрывающего прохождение свободных от рассекателя 24 лучей. Кривизну зеркал 14-z-3 и 14-z-4 выполняем такой, чтобы выходящие на оболочку лучи занимали половину выходящего окна сектора 14 и мнимый кольцевой фокус 14-f-1 находился внутри шара 1 вблизи его центра. Кривизну зеркала 14-z-5, принимающего перекрещивающиеся лучи от зеркала 14-z-1, выполняем такой, чтобы отраженные от него лучи оставшуюся часть выходящего окна центрального сектора 14 с мнимым кольцевым фокусом 14-f-2 вблизи центра шара 1.
В следующем секторе 15 световода 15-s оболочка 2 частично попадает под раскрыв лучей источника 11 и не позволяет применить одно отражающее зеркало. Поэтому, входящий от источника 11 поток лучей в секторе 15 также требуется раздвоение потока лучей для изменения направления отражения лучей. Аналогично зеркалом 15-z-1 перекрываем половину ближних к центральному сектору 14 часть лучей. Параллельным пучком направляем на зеркало 15-z-2 так, чтобы оставалось место для приема зеркалом 15-z-3 за зеркалом 15-z-1 для приема отраженных зеркалом 15-z-4 второй половины части лучей и формирования им ближней к центру кольцевой половины площади сектора 15 с мнимым фокусом 15-М внутри шара 1. Входящие и отраженные лучи от первой половины лучей световода 15-s-1 от зеркал 15-z-1 и 15-z-2 направляем на зеркало 15-z-5. От зеркала 15-z-5 они попадают на зеркало 15-z-6. Кривизну и наклон зеркала 15-z-6 выполняем такой, чтобы они заполняли вторую кольцевую половину выходной площади световода 15-S-2 сектора 15 с мнимым фокусом 15-f-2 внутри шара 1.
В следующем секторе 16 световода 16-s на оболочке 2 раскрыв лучей источника 11 также попадает частично на выходную поверхность световода 16-s сектора 16. Поэтому, также разбиваем входящие лучи надвое аналогичными зеркалами 16-z-1, …, 16-z-6.
В секторе 17 световода 17-s площадь выходящего окна на оболочке 2 находится вне раскрыва лучей источника 11, поэтому, достаточно сформировать требуемое отражение одним зеркалом 17-z-1.
В следующих секторах 18-23 световодов 18-s-23-s требуемые отражения формируем аналогично.
Итак, для формирования шарообразного излучения для десяти секторов потребовалось 23 объемных зеркала.
Но, вероятно, не обязательно применение большого количества секторов в шаре 1. Рассмотрим теперь варианты с минимальным количеством секторов в шаре 1, например - трех, (фиг.4).
Поместим источник излучения 11 лучами 12-i-j на расстоянии L от входного окна 10. В сечении 3 оболочку 2 разделим на 4 части, из которых три выделим под сектора 25, 26, 27 и четвертую под входящее окно 10. Поверхность окна 10 сделаем равноудаленной от источника 11 лучей 12-i-j.
1
i
Повторим расчет для радиусов входящих границ объемных световодов секторов 25, 26, 27. При угле α=45°, (фиг.1), и радиусе входящего окна равном 1 по вычислениям выражениями 1-2, 5-9, 11-15, 18-19, 21 находим коэффициенты ρ для радиусов входящего окна 10
0
1
2
ρ=0,4142, ρ=0,7652, ρ=1.
В данном случае из входящего окна 10-0 сектора 25-s раскрыв лучей 12-0 на оболочку 2 очень значительный, поэтому, задачу можно решить графически в сечении 3, (фиг.4). В разрезе 3 поделим оболочку 2-25 на 4 равные части, в центральной части 2-25-2-1, 2-25-1-2 и у границ световода 25-s - 2-25-2-1 и 2-25-2-2. Ввиду сложности задачи и упрощения построения линий прохождения лучей выберем мнимый кольцевой фокус 25-f-1 на границах оболочки 2 и сектора 27. Направим по 3 линии к оболочкам 2-25-2-1 и 2-25-2-2. Кольцевой мнимый фокус 25- f-2 поместим недалеко на сопредельной линии раскрыва лучей из мнимого фокуса 25-f-1 и проведем еще по 2 линии к оболочкам 2-25-1-1 и 2-25-1-2. По пересечениям линий из мнимого фокуса 25-f-1 и лучей 12-0-1 от источника 11 аппроксимацией формируем конусное зеркало 25-z-1. На границе пересечения лучей 12-0-1 и 12-0-2 и лучей из мнимого фокуса 25-f-2 no их отражениям проводим параллельные линии к внешней границе световода 25-s. В этом случае параллельные лучи пересекаются с границей световода 25-s за пределами зеркала 25-z-1. Это позволяет по пересечениям параллельных линий и лучей из мнимого фокуса 25-f-2, так как они находятся за пределами отражения лучей 12-0, формировать аппроксимацией кольцевое зеркало 25-z-2 с небольшой выпуклостью. На границе световода 25-s строим плоское кольцевое зеркало 25-z-3 отраженные параллельные лучи направляем на пересечение с лучами 12-0-1 и аппроксимацией строим клиновидное зеркало 25-z-3 рассекателя 28. В результате такого построения в центральном секторе 25 для сектора 26 образовалось свободное место для формирования мнимого фокуса 26-f за пределами раскрыва лучей 12-1. От границы входящих окон 10-1 с 10-2 проводим линию до пересечения с нижним лучом кольцевого мнимого фокуса 26-f. Относительно этой линии проводим параллельные линии. По пересечениям этих линий с лучами 12-1 и лучами из мнимого фокуса 26-f строим зеркала 26-z-1 и 26-z-2 аппроксимацией по их точкам пересечения. В этом случае также остается место для формирования мнимого фокуса 27-f за пределами раскрыва лучей 10-2. От конечной границы входящего окна 10-2 проводим линию до пересечения с нижним лучом мнимого кольцевого фокуса 27-f. Относительно этой линии проводим дополнительные параллельные линии. По точкам пересечения этих линий с лучами 12-2 и лучами из мнимого фокуса 27-f аппроксимацией строим кольцевые зеркала 27-z-1 и 27-z-2.
Итак, в результате, для трех секций в этом случае потребовалось 8 объемных зеркал.
Это мы рассматривали примеры формирования шаровой направленности излучения от точечного источника излучения 11 с формированием зеркал с мнимыми фокусами внутри шара 1. Рассмотрим теперь на тех же примерах фигур 2 и 3 варианты формирования шарового излучения с действительными фокусами внутри шара 1.
В варианте фиг.5 относительно фиг.2 без изменений оставим транспортировку отраженных лучей от зеркала 5-z-3 на рассекателе 13, от конусного зеркала 5-z-0, от зеркал 6-z-1, 7-z-1, 8-z-1 соответственно к зеркалам 5-z-2, 5-z-1, 6-z-2, 7-z-2, 8-z-2. В этом случае собирательную кривизну этих зеркал выполняем такими, чтобы проекции их отраженных лучей попадали на соответствующие места на оболочке 2 шара 1. Положение фокусов внутри шара 1 определяется теперь размерами проекции на оболочке 2, расстоянием соответствующего зеркала от оболочки 2 и размерами самого зеркала.
В варианте фиг.6 относительно фиг.3 поступим аналогично и произведем изменения для собирательной кривизны в выходных зеркалах 14-z-3, 14-z-5, 15-z-3, 15-z-6, 16-z-3, 14-z-6, 17-z-2, 17-z-3, 19 -22-z для проекций их отражений в соответствующих местах оболочки 2 с действительными фокусами в ближней к оболочке 2 зоне внутри шара 1. В данном случае при большом количестве секторов в шаре 1 слегка напоминает излучение в способе прототипа с той разницей, что вместо множества дискретных излучений на поверхности шара, в предлагаемом способе излучение получается дискретным по параллелям шара 1, образуемых объемными отражающими зеркалами.
Ранее, для фиг.4 в проектировании с мнимыми фокусами мы встретили определенные трудности из-за большого раскрыва лучей 13-0 в центральной секции. Замечаем, что при использовании действительных фокусов имеем возможность приблизить их к центру шара 1. Кроме того, несколько уменьшим общий раскрыв входящих лучей от точечного источника излучения 11 во входящем окне 10 и количество секторов шара 1 до двух.
0
1
В этом случае из предыдущих выражений отношение радиуса r и r
0
0
1
ρ=r/r=0,765
Построение фиг.7 начинаем проведением пересекающихся линий от экваториального края зоны 2-29-1 оболочки 2 шара 1 и середины оболочки 2-29 по ее параллели на шаре 1 к границе световода 29-s по раскрыву лучей 12-0 от источника 11. По линиям пересечения лучей 12-0-2 и отраженных лучей к оболочке 2-29-1 через действительный фокус 29-f-1 аппроксимацией строим зеркало 29-z-1. Далее формируем зеркало 29-z-2 на границе световода 29-s, размер которого определяется взаимно пересекаемыми в действительном фокусе 29-f-2 лучами из центра 4-0 оболочки 2 и сопрягаемым лучом от зон 2-29-1 и 2-29-2. Отражения от зеркала 29-z-2 в этом случае, будут происходить под разными углами, и вогнутое зеркало 29-z-3 рассекателя 31 также строим аппроксимацией по пересечениям входящих лучей 12-0-1 и отраженных к зеркалу 29-z-2. Для зеркала 30-z выбираем мнимый фокус 30-f, по пересечениям отражающих линий которого и входными лучами 12-1 аппроксимацией строим кривизну этого зеркала. Мнимый фокус 29-f должен находиться за пределами раскрыва лучей 12-1 в свободной зоне за зеркалом 29-z-1.
Итак, для фиг.7 для двух секций потребовалось 4 объемных зеркала.
Далее из фиг.7 замечаем, что если еще сузить входящее окно 10, а площади поверхностей секторов 2-32 и 2-33, фиг.8, сделать равными, то удастся сформировать все действительные фокусы внутри шара 1. В этом случае отношение радиусов входящих окон 10-0, 10-1
0
0
1
ρ=r/r=0,707
Построение фиг.8 начинаем с проведения взаимно пересекающихся линий от краев оболочки 2-32-1 и ее середины через центр шара 1 в действительном фокусе 32-f-1 до пересечения с лучами 12-0-1, по точкам которым аппроксимацией строим вогнутое зеркало 32-z-1. От центра 4-0 оболочки 2 проводим линию до пересечения с границей лучей 12-0-1 и 12-0-2, а краев оболочек 2-32-2 и 2-32-1 к оси 4 шара 1. Следим за тем, чтобы расходящиеся лучи не касались краев зеркала 32-z-1. Выбираем место и формируем зеркало 32-z-2 на границе световода 32-s и строим входящие и отраженные параллельные линии до пересечения с лучами от действительного фокуса 32-f-2 и входящими лучами 12-0-1. По их точкам пересечения аппроксимацией строим зеркала 32-z-3 и 32-z-4 на рассекателе 34. Пересечения отраженных от зеркала 32-z-2 параллельных лучей к зеркалу 32-z-3 можно выбрать так, чтобы они не касались границы лучей 12-01, 12-0-2 и центра 4 шара 1. От краев оболочки 2-33 и ее центра проводим взаимно пересекающиеся линии до пересечения с лучами 12-1 и соответствующей аппроксимацией строим зеркало 33-z.
Итак, для фиг.8 для двух секций с действительными фокусами потребовалось 5 компактно расположенных внутри шара 1 объемных зеркал.
Рассматривая полученные с действительными фокусами фиг.6-8, замечаем, что их прозрачные тела можно уменьшить до границ, проведенных вблизи действительных фокусов. Для того, чтобы выходящие лучи не искажались по направлению к оболочке 2, поверхности их выхода формируем сферическими с минимальным преломлением. Для защиты зеркал от внешних воздействий их оставляем помещенными в прозрачное тело.
На фиг.9 показан вариант минимизации объема прозрачного тела 35 для варианта фиг.5.
На фиг.10 показан вариант минимизации объема прозрачного тела 36 для варианта фиг.6, в котором можно уменьшить объем и со стороны входящих лучей, но при этом избегать их паразитного преломления.
На фиг.11 показан вариант минимизации объема прозрачного тела 37 для варианта фиг.7. В этом случае также надо принять меры для отсутствия преломления выходящих лучей, если действительные фокусы оказываются внутри или пределами прозрачного тела.
На фиг.12 показан вариант минимизации объема прозрачного тела 38 для варианта фиг.8. Для этого случая объем прозрачного тела оказывается самым минимальным.
В приведенных примерах формирования шаровой направленности излучения от точечного источника излучения мы осуществляли проекцию отражающих лучей на оболочку 2 шара 1. Хотя это и не обязательно. Эта проекция может находиться и за пределами оболочки 2. Однако, для наблюдателя в некоторых направлениях от шарового источника излучения будет наблюдаться раздвоение, а при множестве секторов и размножение кажущихся источников излучения. Кроме того это приводит к некоторой неравномерности шарового излучения. Поэтому, поверхность оболочки выполним матовой, что позволяет избавиться от этого недостатка.
Примеры, приведенные на фиг.2-12 требуют последовательного формирования секторов шара 1. Вначале, из прозрачного материала формируют центральные сектора, на них наносят в нужных местах зеркальные покрытия, затем в новой форме формируют следующие сектора с предварительным зеркальным покрытием. И так до последнего сектора шара.
Из приведенных примеров видно, что для разработчиков светотехнических изделий есть простор для фантазий. Для массового производства, например, ламп «ярилко», по старославянски «солнышко», предпочтительны формирователи с малым количеством секторов и с действительными фокусами отражающих лучей, их проекцией на шаровую оболочку шара. Кстати, она может и отличаться от шаровой, что может компенсироваться соответствующими проекциями отражения от зеркал на соответствующую оболочку лампы.
Литература:
1. RU 2447542 от 11.01.2011, « Лампа светодиодная», (прототип).
2. RU 2447543 от 11.01.2011, « Лампа светодиодная».
3. RU 2418345 от 31.12.2009, «Светодиодная лампа».
4. RU 2303800 от 15.12.2005, «Линза для формирования излучения светодиода».
5. RU 55450 от 09.06.2005, «Светодиодное светотехническое устройство».
6. RU 53754 от 14.03.2005, «Светильник общего равномерного освещения».
7. А.с. №700743 от 02.06.78, «Светильник».
8. «Новости электроники», №17, 2008, стр.15-20, Обзор оптических систем для LED.
9. Светотехника. 2001. №5. С.18-19, «Полимерная оптика для светоизлучающих диодов».