Оптический элемент
Владельцы патента RU 2561191:
Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" (RU)
Закрытое Акционерное Общество "Светлана-Оптоэлектроника" (RU)
Изобретение относится к светотехнике, а именно к оптическим элементам, предназначенным для использования в светодиодных лампах, в частности в светодиодных лампах-ретрофитах со стандартным цоколем Е14. Техническим результатом является обеспечение возможности получения разнообразных диаграмм направленности светового излучения. Технический результат достигается за счет того, что в оптическом элементе, выполненном в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего чашеобразную расширяющуюся в направлении снизу вверх форму, содержащем боковые стенки, нижнее основание, предназначенное для ввода световых лучей от источника излучения, а также верхнее основание, имеющее в плоскости поперечного сечения кольцеобразную форму, при этом наружная поверхность боковых стенок является поверхностью, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения для падающих на нее световых лучей, согласно изобретению внутренняя поверхность боковых стенок оптического элемента является поверхностью, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения для падающих на нее световых лучей, при этом форма боковых стенок в продольном сечении и их толщина выбраны из условия обеспечения отражения падающих на их наружную и внутреннюю поверхности световых лучей, вводимых в оптический элемент от источника излучения, и отражаемых указанными поверхностями под углом, соответствующим углу полного внутреннего отражения. 5 ил.
Изобретение относится к светотехнике, а именно к оптическим элементам, предназначенным для использования в светодиодных лампах, в частности в светодиодных лампах-ретрофитах со стандартным цоколем Е14.
Используемые в светодиодных лампах оптические элементы предназначены для вывода излучения от светодиодного источника и обеспечения требуемого распределения света.
Известен оптический элемент [RU 2349988], предназначенный для вывода и распределения излучения от матрицы светодиодов. Рассматриваемый оптический элемент выполнен в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего цилиндрическую форму, на наружной поверхности нижнего торца которого сформирована выемка, предназначенная для размещения в ней светодиодной матрицы, а со стороны верхнего торца выполнено углубление в форме шарового сегмента.
С помощью рассматриваемого оптического элемента основная доля светового излучения выводится через его боковую поверхность, при этом обеспечивается получение рассеянного света с широкой диаграммой направленности.
Известен оптический элемент [CN 102748706], выбранный в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемый оптический элемент выполнен в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего чашеобразную расширяющуюся в направлении снизу вверх форму, и содержит нижнее основание, боковые стенки, а также верхнее основание, имеющее в плоскости поперечного сечения кольцеобразную форму.
Нижнее основание предназначено для ввода в оптический элемент световых лучей, излучаемых источником света, устанавливаемым под указанным основанием. При этом нижнее основание имеет сложную форму и образует в нижней части внутренней полости оптического элемента выпукло-вогнутую линзу, обращенную выпуклостью вверх.
Внутренняя поверхность боковых стенок в продольном сечении имеет ступенчатую форму и образует ряд распределенных по высоте оптического элемента концентрических кольцевых выступов.
Оптические свойства линзы, сформированной в нижнем основании оптического элемента, и форма наружной поверхности его боковых стенок в продольном сечении выбраны такими, что падающие на указанную поверхность световые лучи отражаются от нее под углом полного внутреннего отражения и излучаются кольцевыми выступами внутренней боковой поверхности.
В результате с помощью рассматриваемого оптического элемента обеспечивается получение практически параллельного пучка света с достижением прожекторного эффекта.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности получения разнообразных диаграмм направленности светового излучения.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в оптическом элементе, выполненном в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего чашеобразную расширяющуюся в направлении снизу вверх форму, содержащем боковые стенки, нижнее основание, предназначенное для ввода световых лучей от источника излучения, а также верхнее основание, имеющее в плоскости поперечного сечения кольцеобразную форму, при этом наружная поверхность боковых стенок является поверхностью, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения для падающих на нее световых лучей, согласно изобретению внутренняя поверхность боковых стенок оптического элемента является поверхностью, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения для падающих на нее световых лучей, при этом форма боковых стенок в продольном сечении и их толщина выбраны из условия обеспечения отражения падающих на их наружную и внутреннюю поверхности световых лучей, вводимых в оптический элемент от источника излучения, и отражаемых указанными поверхностями под углом, соответствующим углу полного внутреннего отражения.
Принципиально важным в заявляемом оптическом элементе является то, что за счет выбора формы профиля боковых стенок из условия полного внутреннего отражения падающих на наружную и внутреннюю поверхности стенок световых лучей основная доля вводимых через нижнее основание в оптический элемент от источника излучения световых лучей отражается от указанных поверхностей и затем распространяется внутри стенок оптического элемента, последовательно переотражаясь на противолежащих поверхностях его стенок, после чего выводится через верхнее кольцеобразное основание оптического элемента - через его верхнюю кромку.
Варьируя форму поверхности верхнего основания в продольном сечении (форму профиля верхней кромки), при прочих равных условиях можно в широких пределах варьировать вид диаграммы направленности получаемого с помощью заявляемого оптического элемента светового потока.
Так, в случае, когда верхняя кромка имеет вогнутую форму профиля, обеспечивается получение концентрированного пучка света, предназначенного для создания локального освещения. В случае, когда верхняя кромка выполнена со скосом наружу, обеспечивается получение пучка света с угловым распределением излучения, ширина которого варьируется в значительных пределах в зависимости от конкретной формы верхней кромки.
То есть заявляемый оптический элемент позволяет получать большое разнообразие диаграмм направленности излучения при незначительных его конструктивных изменениях.
Следует отметить, что кроме формы поверхности верхнего основания оптического элемента на достигаемое с его помощью световое распределение излучения влияет также структура и шероховатость указанной поверхности. Так, при структурированной (не гладкой) поверхности верхнего основания более интенсивно происходит перемешивание излучаемых световых лучей и сглаживание КСС (кривой силы света), а гладкость рассматриваемой поверхности способствует увеличению доли светового потока, выводимого под определенными углами.
В качестве наружной и внутренней поверхностей стенок оптического элемента могут быть использованы, например, поверхности вращения кривых второго порядка, то есть поверхности, имеющие в плоскости продольного сечения параболическую, эллипсоидную, сферическую форму и прочее. В частности, наружная и внутренняя поверхности стенок могут быть образованы двумя «вложенными» друг в друга гиперболоидами вращения.
Конкретная форма профиля стенок оптического элемента может быть определена путем нахождения совокупности точек профиля их наружной и внутренней поверхностей методом трассировки лучей через модель оптического элемента с помощью ЭВМ с использованием законов оптики и оптимизационных алгоритмов. Метод нахождения точек профиля каждой из указанных поверхностей основан на выборе угла наклона рассматриваемой поверхности в рассматриваемой точке ее профиля к оси абсцисс (угла наклона касательной к рассматриваемой поверхности, проведенной в рассматриваемой точке профиля), обеспечивающего угол полного внутреннего отражения для падающего на рассматриваемую точку профиля светового луча, с учетом геометрических размеров источника излучения и требуемой толщины стенок оптического элемента, обеспечивающей необходимое число переотражений лучей света от их наружной и внутренней поверхностей.
Конечная форма профиля оптического элемента определяется в ходе компьютерного моделирования и последующего макетирования и является результатом выбора наиболее оптимального варианта с точки зрения достижения требуемого светового распределения.
Для снижения световых потерь и обеспечения требуемого светораспределения размеры оптического элемента следует согласовывать с размерами излучающей поверхности источника излучения.
Поскольку большая часть вводимых в оптический элемент световых лучей распространяется внутри его боковых стенок и излучается его верхней кромкой, отсутствует необходимость формирования во внутренней полости оптического элемента каких-либо дополнительных элементов оптики, например линзы. Это позволяет упростить форму нижнего основания и, следовательно, оптического элемента в целом. Преимущественно, наружная поверхность нижнего основания имеет плоскую форму, что позволяет организовать оптический контакт указанного основания с излучающей поверхностью источника излучения, исключив тем самым потери света на оптических границах. Форма профиля внутренней поверхности нижнего основания определяется формой профиля нижней части поверхности, образующей внутреннюю поверхность боковых стенок оптического элемента.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является то, что основная часть световых лучей распространяется внутри боковых стенок оптического элемента и выводится через поверхность его верхнего кольцеобразного основания. Это позволяет решить поставленную задачу - обеспечение возможности получения разнообразных диаграмм направленности светового излучения при незначительных конструктивных изменениях оптического элемента.
В результате с помощью заявляемого оптического элемента оказывается возможным создать ряд конструктивно сходных между собой светотехнических изделий с разным световым распределением.
При этом применение заявляемого оптического элемента позволяет исключить рефлектор или рассеиватель из состава светотехнического изделия, что является экономически выгодным.
Кроме того, из-за многократного переотражения световых лучей внутри стенок оптического элемента перед выходом их наружу происходит эффективное перемешивание лучей, что способствует снижению хроматической неоднородности излучаемого светового потока.
На фиг.1 представлен общий вид оптического элемента; на фиг.2 представлен общий вид оптического элемента в аксонометрии, обеспечивающего широкую диаграмму направленности излучения; на фиг.3 представлена кривая силы света для оптического элемента, представленного на фиг.2; на фиг.4 представлен общий вид оптического элемента в аксонометрии, обеспечивающего узкую диаграмму направленности излучения; на фиг.5 представлена кривая силы света для оптического элемента, представленного на фиг.4.
Оптический элемент выполнен в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего чашеобразную расширяющуюся в направлении снизу вверх форму, содержащего нижнее основание 1, боковые стенки 2 и верхнее основание 3. Верхнее основание 3 имеет кольцеобразную в поперечном сечении форму.
Боковые стенки 2 имеют внутреннюю и наружную поверхности соответственно 4 и 5.
Нижнее основание 1 предназначено для ввода световых лучей от располагаемого под ним источника излучения 6, выполненного, в частности, в виде светодиодной матрицы. Наружная поверхность нижнего основания 1 выполнена, в частности, плоской, а площадь указанной поверхности определяется размерами излучающей поверхности источника 6.
Форма профиля боковых стенок 2 обеспечивает эффект полного внутреннего отражения для падающих на их наружную и внутреннюю поверхности световых лучей. При этом в плоскости продольного сечения точки профиля поверхностей 4 и 5 выбраны из условия отражения падающего на каждую из рассматриваемых поверхностей в рассматриваемой точке профиля светового луча, излучаемого источником 6, или светового луча, отраженного противолежащей по отношению к рассматриваемой поверхностью стенок 2, под углом, соответствующим углу полного внутреннего отражения.
Поверхности 4 и 5 имеют, в частности, форму гиперболоида вращения.
Верхнее основание 3 имеет, в частности, слегка вогнутую форму профиля.
На фиг.2 представлен оптический элемент, верхнее основание которого имеет плоскую скошенную наружу форму. Как видно из фиг.3, на которой представлена кривая силы света - зависимость относительной интенсивности излучения от полярного угла, оптический элемент, представленный на фиг.2, обеспечивает широкую диаграмму направленности излучения.
На фиг.4 представлен оптический элемент, верхнее основание которого имеет слегка вогнутую форму. Как видно из фиг.5, на которой представлена кривая силы света - зависимость относительной интенсивности излучения от полярного угла, оптический элемент, представленный на фиг.4, обеспечивает узкую диаграмму направленности излучения.
Устройство работает следующим образом.
Излучаемые источником 6 световые лучи вводятся в оптический элемент через нижнее основание 1.
На фиг.1 условно показан ход лучей в оптическом элементе на примере лучей 7, 8, 9 и 10.
Большинство световых лучей (7, 8, 9) падают на поверхность 5, отражаются от нее под углом, соответствующим углу полного внутреннего отражения для среды материал оптического элемента - воздух и падают на поверхность 4. Далее происходит последовательное отражение лучей 7, 8, 9 поверхностями 4 и 5 под углами, соответствующими углу полного внутреннего отражения. Лучи 7, 8, 9 выводятся через верхнее основание 3 и образуют при этом узкий пучок света, сконцентрированный вблизи центральной продольной оси оптического элемента.
Незначительное количество световых лучей (луч 10) проходит через внутреннюю полость оптического элемента в направлении центральной продольной оси оптического элемента.
Оптический элемент, выполненный в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего чашеобразную расширяющуюся в направлении снизу вверх форму, содержащий боковые стенки, нижнее основание, предназначенное для ввода световых лучей от источника излучения, а также верхнее основание, имеющее в плоскости поперечного сечения кольцеобразную форму, при этом наружная поверхность боковых стенок оптического элемента является поверхностью, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения для падающих на нее световых лучей, отличающийся тем, что внутренняя поверхность боковых стенок оптического элемента является поверхностью, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения для падающих на нее световых лучей, при этом форма боковых стенок в продольном сечении и их толщина выбраны из условия обеспечения отражения падающих на их наружную и внутреннюю поверхности световых лучей, вводимых в оптический элемент от источника излучения, и отражаемых указанными поверхностями под углом, соответствующим углу полного внутреннего отражения.
