Многоцелевой оптический излучатель

Изобретение относится к осветительным устройствам, предназначенным для освещения поверхностей, например в микроскопах, а также для применения в прожекторах, автомобильных фарах, фонарях и т.п. Устройство содержит корпус с головной частью корпуса, оптический элемент, который имеет две отражающие поверхности, источник света с токоподводящими проводами, прозрачный элемент, закрывающий выходное отверстие, источник питания и выключатель. Источник света направлен в сторону, противоположную выходному отверстию. Первая из отражающих поверхностей представляет собой поверхность, образованную вращением полукубической параболы вокруг ее оси симметрии, причем указанная ось симметрии совпадает с оптической осью излучателя. Вторая отражающая поверхность охватывает первую отражающую поверхность и представляет собой усеченную со стороны вершины часть параболоида, соосного с осью симметрии полукубической параболы. Технический результат - снижение потерь светового потока, упрощение конструкции. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Заявленное изобретение относится к устройствам, предназначенным для высококачественного освещения поверхностей, например в микроскопах, для освещения внутренних полостей, например в медицинских целях, а также в прожекторах, автомобильных фарах, карманных фонарях и т.д., и может найти применение для передачи сигналов по оптическому каналу в системах связи и сигнализации.

Известен оптический излучатель, предназначенный для освещения поверхностей, содержащий корпус, в котором расположен источник питания, выключатель и полупроводниковый источник света с оптическим элементом (см., например, патент РФ № 2076263, МПК F 21 L 4/00, "Указка световая", опубл. 27.03.97 в БИ №9).

Недостаток известного устройства заключается в том, что он имеет ограниченное применение, а фокусировку светового потока с его помощью производить сложно.

Более близким по технической сущности и принятым за прототип является оптический излучатель, используемый для освещения поверхностей, содержащий корпус, головную часть корпуса с оптическим элементом-отражателем, имеющим две рабочие поверхности, формы которых согласованы, установленный в его фокусе источник излучения в виде светодиода, выходную поверхность, источник питания и выключатель (см., например, патент РФ № 2174646, МПК F 21 V 13/04, "Излучатель", опубл. 10.10.2001, БИ №28).

Недостаток известного оптического излучателя заключается в том, что в нем достаточно высокая доля светового потока теряется в оптическом элементе. В его конструкции использованы дорогие и дефицитные материалы, а для его изготовления используется сложная технология, что удорожает и усложняет производство таких изделий. Кроме того, изменить диаметр светового пятна в известном излучателе невозможно, что снижает функциональные возможности изделия.

Технической задачей данного изобретения является снижение потерь светового потока при низком угле рассеивания, упрощение конструкции, снижение стоимости изделия и повышение его функциональных возможностей. Дополнительной задачей является повышение суммарного светового потока.

Поставленная задача решается за счет того, что в многоцелевом оптическом излучателе, содержащем корпус, головную часть с оптическим элементом, имеющим две отражающие рабочие поверхности, формы которых согласованы, установленный в его фокусе источник излучения, выходное отверстие, источник питания и выключатель, согласно изобретению, источник излучения установлен так, что его световой поток направлен преимущественно в сторону, противоположную выходному отверстию, одна из отражающих поверхностей представляет собой поверхность, образованную вращением полукубической параболы вокруг ее оси симметрии, причем ее ось симметрии совпадает с оптической осью излучателя, а вторая отражающая поверхность охватывает первую отражающую поверхность и представляет собой усеченную со стороны вершины часть параболоида, соосного с осью симметрии полукубической параболы.

В варианте технического решения источник излучения выполнен в виде светодиода и установлен на площадке, закрепленной на рейках, выполняющих одновременно функции проводников и теплоотвода, причем рейки содержат механизм, обеспечивающий изменение положения светодиода в плоскости его установки.

В варианте технического решения источник излучения установлен на тыльной стороне прозрачного элемента, закрывающего выходное отверстие.

В варианте технического решения источник излучения содержит второй излучатель, световой поток от которого направлен в сторону выходного отверстия.

В варианте технического решения второй излучатель выполнен на основе лазерного полупроводникового диода.

В варианте технического решения второй излучатель выполнен в виде светодиода с остронаправленным потоком излучения.

В варианте технического решения выходное отверстие снабжено линзой Френеля.

В варианте технического решения многоцелевой оптический излучатель содержит механизм, изменяющий положение источника света по высоте его установки.

В варианте технического решения светодиоды имеют различный спектр излучения, например красный, зеленый.

В варианте технического решения источники света выполнены с инфракрасным или ультрафиолетовым спектрами излучения.

В варианте технического решения внутренняя полость головной части корпуса заполнена сплошным прозрачным материалом.

В варианте технического решения несколько оптических излучателей формируются в виде единого блока.

Использование в многоцелевом оптическом излучателе источника излучения, световой поток которого имеет преимущественно направление, обратное выходному отверстию, позволяет на основе двух отражателей, один из которых выполнен в виде поверхности, образованной вращением полукубической параболы вокруг ее оси симметрии, совпадающей с оптической осью излучателя, а второй отражатель выполнен в виде части параболоида, обеспечить полностью коллимированный поток излучения с минимальными потерями светового потока в оптической системе.

Исполнение источника излучения в виде светодиода, установленного на рейках, выполняющих одновременно функции проводников и теплоотвода, позволяет упростить конструкцию устройства. Поскольку рейки содержат механизм, обеспечивающий изменение положения светодиода в плоскости, установка источника излучения в фокусе отражателей значительно облегчается, что повышает функциональные возможности устройства.

Расположение источника излучения на тыльной стороне прозрачного элемента, закрывающего выходное отверстие, дает возможность отцентрировать излучатель заранее, перед его установкой.

Наличие второго излучателя, световой поток от которого направлен в сторону выходного отверстия, позволяет увеличить световой поток. При использовании источников света с различными спектрами излучения обеспечивается, к тому же, и возможность регулирования суммарной цветности излучения.

Применение второго излучателя, выполненного на основе лазерного полупроводникового диода, позволяет использовать предлагаемый излучатель в качестве указателя цели с одновременной ее подсветкой.

Наличие в выходном отверстии линзы Френеля обеспечивает возможность дополнительной корректировки направления потока излучения.

Наличие механизма, изменяющего положение источника света по высоте его установки, дает возможность потребителю в широком диапазоне варьировать диаметр светового пятна.

Использование светодиодов, выполненных с инфракрасным или ультрафиолетовым спектрами излучения, расширяет возможности предлагаемого многоцелевого оптического излучателя.

Заполнение внутренней полости головной части корпуса излучателя сплошным прозрачным материалом обеспечивает прочность конструкции.

Изобретение иллюстрируется 10-ю фигурами.

На фиг.1 представлена конструкция многоцелевого оптического излучателя, вид сбоку.

На фиг.2 показана вторая проекция конструкции излучателя (вид сверху).

На фиг.3 изображен фрагмент конструкции для регулирования положения излучателя в плоскости, перпендикулярной центральной оси светового потока.

На фиг.4 дан вариант, при котором источник излучения прикреплен с тыльной стороны к стеклу, закрывающему выходное отверстие,

На фиг.5 показан оптический излучатель с двумя источниками света, один из которых выполнен на основе полупроводникового лазерного диода, не имеющего собственной коллимирующей линзы.

На фиг.6 представлен многоцелевой оптический излучатель с двумя источниками света, где лазерный диод снабжен собственной коллимирующей линзой.

На фиг.7 изображен оптический излучатель с двумя источниками света, выполненными на основе светодиодов.

На фиг.8 показан вариант исполнения многоцелевого оптического излучателя с линзой Френеля.

На фиг.9 имеется принципиальная схема оптического излучателя.

На фиг.10 показан блок, состоящий из нескольких многоцелевых оптических излучателей.

Общие для всех фигур элементы обозначены одинаково.

Прожекторный излучатель выполнен следующим образом. Источник излучения 1 (фиг.1, 2), преимущественно светодиод, располагается внутри головной части 2 на площадке 3. Площадка 3 установлена па двух взаимно перпендикулярных рейках 4 и 5, выполненных из пружинящего материала, например бронзы. Рейки установлены на ребро по отношению к оси симметрии так, чтобы не препятствовать прохождению лучей света. Они одновременно выполняют функции теплоотвода и токоподводящих проводов к источнику излучения. При этом источник излучения 1 установлен так, что центральная ось его светового потока направлена в сторону, противоположную выходному отверстию (на фиг. не обозначено), навстречу первому отражателю 6. Последний выполнен в виде поверхности, образованной вращением полукубической параболы вокруг ее оси симметрии, при этом ее ось симметрии совпадает с оптической осью излучателя.

Заостренная часть отражателя б направлена навстречу световому потоку светодиода 1. Второй отражатель 7 охватывает первый отражатель и представляет собой усеченную со стороны вершины часть параболоида, соосного с первым. Форма отражателей 6 и 7 выбрана так, чтобы исходящие от источника излучения лучи в пределах 0-40° попадали на отражатель 6 и, отражаясь, поступали на ту часть поверхности отражателя 7, которая расположена ближе к выходному отверстию. При этом, отражаясь от отражателя 7, лучи выходят из излучателя практически параллельно оптической оси, не попадая на площадку 3. Лучи, исходящие от источника излучения 1 в пределах 40-55°, сразу попадают на поверхность отражателя 7 и, отражаясь от последнего, также образуют пучок лучей, идущих параллельно оптической оси (ход лучей на фиг. показан пунктиром со стрелками).

Таким образом, суммарный угол охвата отражателями потока излучения, идущего от источника, соответствует 0-55°. Большинство выпускаемых в настоящее время светодиодов излучает в этом диапазоне. Угол охвата светового потока отражателем 7, при необходимости, может быть выбран более широким.

В свою очередь рейки 4 и 5 снабжены механизмом, обеспечивающим их продольное перемещение. Этот механизм выполнен следующим образом. Каждая рейка с одной стороны имеет квадратные головки 8 (фиг.1, 3) и хвостовик с резьбой 9. В головной части корпуса имеются прорези (на фиг. не обозначены), соответствующие квадратным головкам и обеспечивающие перемещение квадратных головок сквозь прорези. Щелевые прорези имеются также и с диаметрально противоположной стороны головной части корпуса, обеспечивающие прохождение реек. Хвостовик 9 входит в зацепление с регулировочной гайкой 10. Гайка имеет выступы 11, а стенки головной части в области сочленения с хвостовиком имеют приливы 12 со шлицами 13, в которые входят выступы 11. Гайки имеют рукоятку 14. Головная часть корпуса 2 сочленяется с корпусом 15 с помощью резьбы, обеспечивающей поступательное движение головки вдоль оси симметрии. Рейки 4 и 5 электрически соединены витыми проводниками 16 с подпружиненным контактным элементом 17, обеспечивающим контакт с источником питания 18.

В варианте технического решения головная часть корпуса 2 имеет прозрачное защитное стекло 19 (фиг.4), с внутренней стороны которого, например, с помощью клея прикреплен источник излучения 1.

В варианте технического решения излучения содержит второй излучатель 20 (фиг.5), выполненный на основе полупроводникового лазерного диода, световой поток от которого направлен в сторону выходного отверстия. Если лазерный диод 20 не содержит собственно коллимирующей линзы, то головная часть корпуса 2 имеет защитное стекло 21 и коллимирующую линзу 22. Если лазерный излучатель имеет собственную линзу, то защитное стекло 21 выполняется гладким (фиг.6). В качестве второго излучателя может быть использован второй светодиод 23 (фиг.7) с остронаправленным потоком излучения.

В варианте технического решения защитное стекло выполнено в виде линзы Френеля 24 (фиг.8), обеспечивающей коррекцию светового потока.

Источники излучения могут быть выполнены с инфракрасным или ультрафиолетовым спектрами излучения или иметь различный спектр излучения. Например, светодиод 1 имеет зеленый спектр, а светодиод 21 - красный.

Электрическая схема многоцелевого оптического излучателя состоит из параллельно соединенных источников излучения 1 и 23 (18) (фиг.9). Каждый источник имеет в своей цепи ограничительное сопротивление соответственно 25 и 26 и выключатели 27 и 28. Источником питания 18 является либо батарея, либо аккумулятор.

Источник оптического излучения может быть выполнен в виде блока, заключенного в общий корпус 29 и содержащего несколько многоцелевых оптических излучателей (фиг.10).

Многоцелевой оптический излучатель действует следующим образом.

Световой поток от источника света 1, отражаясь от отражателей 6 и 7, имеющих рабочие поверхности, формы которых согласованы, выходит из выходного отверстия параллельными лучами, обеспечивая освещение на больших расстояниях. Однако, при необходимости, предлагаемое устройство позволяет регулировать форму светового потока путем изменения расстояния между источником света 1 и отражающими поверхностями 6 и 7, что полезно, например, в карманных фонарях для получения более широкого светового пятна на близких расстояниях. Кроме того, вращением гаек 10 можно изменять положение источника света 1 относительно отражателей и, тем самым, изменять направление светового потока по отношению к оси симметрии, что необходимо, например, в автомобильных фарах для получения ближнего света. Этот же механизм используется и для корректировки положения источника света.

Для увеличения светового потока можно использовать дополнительный источник излучения, либо в виде лазерного диода 20 (фиг.5, 6, 8), либо в виде светодиода 23 (фиг.7). При этом возможно использование излучателей, генерирующих инфракрасный или ультрафиолетовый поток, либо их сочетания. В этом случае предлагаемый излучатель может быть использован как целеуказатель.

Если применены источники излучения, например, с зеленым и красным спектрами, то появляется возможность регулировать суммарный цвет излучения от почти белого до красного или зеленого. Известно, что белый цвет получается как пропорциональная смесь красного, зеленого и синего цветов. Однако, в пропорциональном отношении синий цвет занимает ничтожную долю.

Установка нескольких прожекторных излучателей в общем блоке (фиг.10) позволяет формировать мощный излучатель для различных целей.

Таким образом, в отличие от прототипа, в предлагаемом излучателе световой поток претерпевает меньшее число изменений направления и практически не имеет потерь. Для изготовления отражающих поверхностей и защитного стекла не требуется специальных материалов, что позволяет снизить потери светового потока, упростить конструкцию и снизить стоимость изделия. Функциональные возможности предлагаемого многоцелевого оптического излучателя неизмеримо выше. Кроме того, предлагаемый излучатель обеспечивает повышение суммарного светового потока при использовании дополнительных источников излучения.

1. Оптический излучатель, содержащий корпус с головной частью корпуса, оптический элемент, имеющий две отражающие поверхности, источник света с токоподводящими проводами, прозрачный элемент, закрывающий выходное отверстие, источник питания и выключатель, отличающийся тем, что источник света направлен в сторону, противоположную выходному отверстию, первая из отражающих поверхностей представляет собой поверхность, образованную вращением полукубической параболы вокруг ее оси симметрии, причем указанная ось симметрии совпадает с оптической осью излучателя, а вторая отражающая поверхность охватывает первую отражающую поверхность и представляет собой усеченную со стороны вершины часть параболоида, соосного с осью симметрии полукубической параболы.

2. Оптический излучатель по п.1, отличающийся тем, что источник света выполнен в виде светодиода и установлен на рейках, причем рейки содержат механизм, обеспечивающий изменение положения светодиода в плоскости его установки.

3. Оптический излучатель по п.1, отличающийся тем, что источник света установлен на тыльной стороне прозрачного элемента.

4. Оптический излучатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что излучатель содержит второй источник света, световой поток от которого направлен в сторону выходного отверстия.

5. Оптический излучатель по п.4, отличающийся тем, что второй источник света выполнен на основе лазерного полупроводникового диода.

6. Оптический излучатель по п.4, отличающийся тем, что второй источник света выполнен в виде светодиода.

7. Оптический излучатель по п.6, отличающийся тем, что источники света выполнены в виде светодиодов с различным спектром излучения.

8. Оптический излучатель по п.6, отличающийся тем, что источники света выполнены в виде светодиодов с инфракрасным или ультрафиолетовым спектрами излучения.

9. Оптический излучатель по п.1 или 3, отличающийся тем, что источник излучения располагается внутри головной части корпуса и внутренняя полость головной части корпуса заполнена сплошным прозрачным материалом.

10. Способ формирования общего светового потока от источника излучения, расположенного вдоль центральной оптической оси, в котором световой поток от источника излучения направляют в сторону, противоположную выходному отверстию, а затем отражают в сторону выходного отверстия, отличающийся тем, что световой поток отражают в сторону выходного отверстия посредством оптического элемента, имеющего две отражающие поверхности, при этом первая из отражающих поверхностей представляет собой поверхность, образованную вращением полукубической параболы вокруг ее оси симметрии, причем указанная ось симметрии совпадает с оптической осью излучателя, а вторая отражающая поверхность охватывает первую отражающую поверхность и представляет собой усеченную со стороны вершины часть параболоида, соосного с осью симметрии полукубической параболы, причем положение источника излучения регулируют посредством двух взаимно перпендикулярных реек, выполненных с возможностью их продольного перемещения вдоль центральной оптической оси.