СВЕТОВОД ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПАТТЕРНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЕТА Российский патент 2018 года по МПК G02B3/08 

Область техники

Изобретение относится к осветительным конструкциям. Более конкретно, оно относится к световоду для изменения паттерна распределения света, генерируемого излучателем, которым может являться, например, светодиод (СД).

Уровень техники

Характер распределения света, генерируемого излучателем, в некоторых приложениях может быть важным или даже критичным. Неограничивающими примерами излучателя (источника света) могут служить СД, лампа накаливания и газоразрядная лампа. На фиг. 1 показан, в сечении, пример известного световода 101 для изменения паттерна распределения света от излучателя 102. Некоторые световые пучки, испускаемые излучателем 102, схематично показаны на фиг. 1 пунктирными стрелками. Световод 101 может обладать вращательной симметрией относительно геометрической линии 120 (см. фиг. 1). Эта линия параллельна оси z координатной системы 199. Световод 101 изготовлен из прозрачного материала с показателем преломления больше 1. У световода имеются первая поверхность 103, действующая как входная поверхность для приема света, испускаемого излучателем 102, и вторая поверхность 104, действующая как выходная поверхность, через которую свет выходит из световода. И первая, и вторая поверхности световода снабжены призматическими гребнями для коллимирования света, генерируемого излучателем 102. На фиг. 1 один из призматических гребней первой поверхности 103 обозначен как 111, а один из призматических гребней второй поверхности 104 обозначен как 112. Если световод обладает вращательной симметрией, призматические гребни целесообразно расположить концентрично относительно линии 120. Световод типа, показанного на фиг. 1, представлен, например, в документе US 20110286221.

Неудобство, возникающее при использовании световодов типа, описанного выше, состоит в том, что при рассматривании световода под малым углом α к его поверхности (как это показано на фиг. 1) может оказаться трудным определить, включен ли излучатель 102 или выключен. В то же время в условиях кухни или в других домашних условиях освещения было бы, например, желательно различать, даже при малых углах наблюдения, включен ли свет или выключен.

Раскрытие изобретения

Далее приводится краткое и упрощенное изложение сущности изобретения с целью дать базовое представление о некоторых аспектах различных вариантов изобретения. В данном разделе не содержится подробного рассмотрения изобретения, и он не предназначен для того, чтобы идентифицировать ключевые или критичные элементы изобретения или же уточнить объем изобретения. В данном разделе просто представляются, в упрощенной форме, некоторые принципы изобретения в качестве введения к более подробному описанию вариантов изобретения, приводимых только в качестве примеров.

Согласно изобретению предлагается новый световод для изменения паттерна распределения света, генерируемого излучателем (источником света). В соответствии с изобретением световод содержит прозрачный элемент, изготовленный из прозрачного материала, имеющего показатель преломления больше 1. Прозрачный элемент имеет:

- первую поверхность, действующую как входная поверхность для приема света, и

- вторую поверхность, действующую как выходная поверхность, через которую свет выходит из прозрачного элемента.

Вторая поверхность снабжена одним или более выступами, направляющими первую часть света в одном или более боковых направлениях, ориентированных в сторону от направления, в котором из прозрачного элемента через его вторую поверхность выходит вторая часть света, составляющая более половины света, выходящего из прозрачного элемента через его вторую поверхность. Каждому выступу придан профиль, обеспечивающий полное внутреннее отражение для светового пучка, принадлежащего к первой части света, в первой точке поверхности выступа, и преломление отраженного светового пучка во второй точке его поверхности, чтобы ориентировать световой пучок в боковом направлении.

В ситуации, когда световод рассматривается под малым углом к его поверхности, наличие средств для отклонения света в боковых направлениях облегчает распознавание того, включен ли излучатель или выключен. Часть света, отклоняемая выступами в боковых направлениях, предпочтительно составляет не более 10% всего света, выходящего из прозрачного элемента через его вторую поверхность. Во многих случаях достаточно, чтобы распространяющийся в боковых направлениях свет составлял только несколько процентов, например 3-5%, света, выходящего из прозрачного элемента через его вторую поверхность. Это соотношение может быть обеспечено при выполнении каждого из указанных выступов сужающимся, с закругленной вершиной и окруженным участками второй поверхности, занимающими пространство между сужающимися выступами. При этом диаметр наименьшей окружности, описанной вокруг основания одного или более сужающихся выступов, не должен превышать 10% наименьшего расстояния между соседними выступами.

В соответствии с изобретением предлагается также новое осветительное устройство, содержащее по меньшей мере один излучатель и по меньшей мере один световод согласно изобретению. По меньшей мере один излучатель может содержать, например, один или более светодиодов.

Световод согласно неограничивающему варианту изобретения, приводимому в качестве примера, является цельной деталью из прозрачного материала, которая может быть изготовлена, например, методом фасонного литья. В соответствии с изобретением предлагается также новая литейная форма, имеющая профиль, пригодный для изготовления, методом фасонного литья, указанной цельной детали из прозрачного материала.

Другие неограничивающие варианты изобретения раскрыты в зависимых пунктах прилагаемой формулы.

Конструкции и способы функционирования различных неограничивающих вариантов изобретения, а также дополнительные задачи, решаемые изобретением, и его преимущества станут более понятны из нижеследующего описания конкретных вариантов изобретения, которое должно рассматриваться совместно с прилагаемыми чертежами.

Используемый в описании и формуле глагол "содержать" и его эквиваленты должны восприниматься как не исключающие, но и не требующие присутствия также каких-то неназванных признаков. Признаки, включенные в зависимые пункты, могут свободно комбинироваться друг с другом, если исключения из этого принципа прямо не оговорены. Должно быть также понятно, что указание в данном описании признаков в единственном числе не исключает использования по отношению к ним множественного числа.

Краткое описание чертежей

Далее будут более подробно описаны, со ссылками на прилагаемые чертежи и с указанием их преимуществ, варианты изобретения, приводимые в качестве неограничивающих примеров.

На фиг. 1 показан, в сечении, известный световод.

Фиг. 2а, 2b, 2с и 2d иллюстрируют световод согласно варианту изобретения.

На фиг. 3а показана деталь световода согласно варианту изобретения.

На фиг. 3b и 3с иллюстрируется световод согласно другому варианту изобретения.

Фиг. 4а и 4b иллюстрируют световод согласно еще одному варианту изобретения.

На фиг. 5 показан, в разрезе, световод согласно одному варианту изобретения.

На фиг. 6 показан, в сечении, световод согласно еще одному варианту изобретения.

На фиг. 7а и 7b представлено осветительное устройство согласно варианту изобретения.

Фиг. 1 была рассмотрена выше, в разделе "Раскрытие изобретения".

Осуществление изобретения

Фиг. 2а, 2b, 2с и 2d иллюстрируют световод 201 согласно варианту изобретения. Световод предназначен для изменения паттерна распределения света излучателя 202, который может содержать, например, один или более светодиодов (СД), одну или более ламп накаливания или одну или более газоразрядных ламп. На фиг. 2b световод 201 показан в сечении плоскостью А-А (см. фиг. 2а). Фиг. 2b иллюстрирует также положение излучателя 202 относительно световода 201. На фиг. 2с и 2d представлены в увеличенном масштабе часть фиг. 2b и часть фиг. 2а соответственно.

Световод 201 содержит прозрачный элемент 215, изготовленный из твердого прозрачного материала, имеющего показатель преломления больше 1. Прозрачным материалом может быть, например, акриловый пластик, поликарбонат, оптический силикон или стекло. Прозрачный элемент 215 может быть изготовлен, например, методом фасонного литья. У прозрачного элемента 215 имеются первая поверхность 203, действующая как входная поверхность для приема света, испускаемого излучателем 202, и вторая поверхность 204, действующая как выходная поверхность, через которую свет выходит из световода 201. На второй поверхности 204 имеются выступы, направляющие первую часть света в одном или более боковых направлениях, ориентированных в сторону от направления, в котором свет выходит из прозрачного элемента 215 через его вторую поверхность 204. При этом вторая часть света составляет более половины света, выходящего из прозрачного элемента 215 через его вторую поверхность 204. Первая часть света, направляемая выступами в боковых направлениях, предпочтительно составляет не менее 3% и не более 20% света, выходящего из прозрачного элемента 215 через его вторую поверхность 204. Один из этих выступов обозначен на фиг. 2a-2d, как 205. На фиг. 2b и 2с некоторые световые пучки, принадлежащие первой части света, изображены штрихпунктирными стрелками, а некоторые световые пучки, принадлежащие второй части света, - штриховыми стрелками.

Как показано на фиг. 2с, выступу 205 придана форма, обеспечивающая полное внутреннее отражение для световых пучков, принадлежащих первой части света, в первой точке 208 поверхности выступа, и преломление отраженного светового пучка во второй точке 209 поверхности выступа, чтобы направлять световой пучок в боковых направлениях. Желательно придать выступам такую форму, чтобы угол β, отмеченный на фиг. 2с, составлял по меньшей мере 80°. Угол β может быть определен как угол между осью симметрии лепестка диаграммы направленности второй части света и направлением, соответствующим максимуму интенсивности первой части света, ориентированной в боковом направлении. Угол β может быть измерен, например, с использованием первого проекционного экрана, установленного перпендикулярно оси z координатной системы 299 с возможностью приема второй части света, и второго проекционного экрана, установленного перпендикулярно первому проекционному экрану с возможностью приема первой части света. Каждый выступ, которому придан профиль, сужающийся от его основания к закругленной вершине, окружен участками второй поверхности, занимающими пространство между сужающимися выступами.

В примере световода 201 по фиг. 2a-2d у первой поверхности 203 имеются первая часть 206 и вторая часть, окружающая первую часть. Вторая часть первой поверхности снабжена призматическими гребнями, направляющими свет ко второй поверхности 204. С этой целью каждый призматический гребень имеет профиль, обеспечивающий полное внутреннее отражение светового пучка, входящего в этот гребень. На фиг. 2b один из призматических гребней обозначен, как 211. Как это проиллюстрировано в виде пунктирных окружностей на фиг. 2а, призматические гребни расположены концентрично вокруг геометрической линии 220, показанной на фиг. 2b. Однако призматические гребни необязательно должны обладать вращательной симметрией. У второй поверхности 204 имеются первая часть 207 и окружающая ее вторая часть. На второй части второй поверхности 204 выполнены рассмотренные сходящиеся выступы, направляющие первую часть света в сторону от направления, в котором вторая часть света выходит из прозрачного элемента через его вторую поверхность.

В примере световода 201, представленном на фиг. 2a-2d, и первая часть 206 первой поверхности 203, и первая часть 207 второй поверхности 204 выполнены выпуклыми, как это видно из фиг. 2b. В световоде согласно другим вариантам изобретения первая часть 206 первой поверхности 203 может быть плоской или вогнутой. Аналогично, первая часть 207 второй поверхности 204 также может быть плоской или вогнутой.

Как показано на фиг. 2а и 2d, каждый из сужающихся выступов световода 201 обладает вращательной симметрией относительно геометрической линии, параллельной его высоте, т.е. параллельной оси z координатной системы 299. Следует, однако, отметить, что эти выступы необязательно должны обладать вращательной симметрией. На фиг. 3а, на виде, аналогичном виду, представленному на фиг. 2d, иллюстрируется часть световода 301 согласно другому неограничивающему варианту изобретения. В варианте, проиллюстрированном на фиг. 3а, каждый выступ имеет сужающийся профиль с закругленной вершиной и квадратное основание, соединяющее его с остальной частью прозрачного элемента 315 световода 301. На фиг. 3а один из таких сужающихся выступов обозначен как 305. При этом допустимо, чтобы световод содержал сужающиеся выступы (или выступы иной формы), имеющие различные профили.

В световоде согласно неограничивающему варианту изобретения диаметр наименьшей окружности, описанной вокруг основания любого выступа, не превышает 25% наименьшего расстояния между соседними выступами. В световоде согласно другому варианту изобретения диаметр наименьшей окружности, описанной вокруг основания любого выступа, не превышает 10% наименьшего расстояния между соседними выступами. На практике наименьшее расстояние между соседними выступами может составлять, например, 10 мм, а диаметр наименьшей окружности, описанной вокруг основания любого выступа, может, например, равняться 0,6 мм. На фиг. 2d и 3а диаметр упомянутой наименьшей окружности, описанной вокруг основания любого сужающегося выступа, обозначен, как D, а наименьшее расстояние между соседними выступами - как d.

На фиг. 3b и 3с представлен световод 301b согласно неограничивающему варианту изобретения, предназначенный для изменения паттерна распределения света от излучателя 302. На фиг. 3с световод 301b показан в сечении плоскостью А-А (см. фиг. 3b). Фиг. 3с иллюстрирует также положение излучателя 302 относительно световода 301b. Световод 301b содержит прозрачный элемент 315b, изготовленный из твердого прозрачного материала, имеющего показатель преломления больше 1. У прозрачного элемента 315b имеются первая поверхность 303, действующая как входная поверхность, и вторая поверхность 304, действующая как выходная поверхность. На второй поверхности 304 имеются выступы, направляющие первую часть света в направлениях, ориентированных в сторону от направления, в котором вторая (и большая) часть света выходит из прозрачного элемента через его вторую поверхность. Один из этих выступов обозначен на фиг. 3b и 3с, как 305b. Один из световых пучков, принадлежащих первой части света, изображен штрихпунктирной стрелкой, а некоторые световые пучки, принадлежащие второй части света, - штриховыми стрелками. В этом неограничивающем примере выступы для ориентирования света в боковых направлениях являются сужающимися выступами, которые распределены согласно нерегулярному паттерну, как это показано на фиг. 3b.

На фиг. 4а и 4b представлен световод 401 согласно неограничивающему варианту изобретения, предназначенный для изменения паттерна распределения света от излучателя 402. На фиг. 4а световод 401 показан в сечении плоскостью, параллельной плоскости xz координатной системы 499. Фиг. 4а иллюстрирует также положение излучателя 402 относительно световода 401. На фиг. 4b показана в увеличенном масштабе часть фиг. 4а. Световод 401 содержит прозрачный элемент 415, изготовленный из твердого прозрачного материала, имеющего показатель преломления больше 1. У прозрачного элемента 415 имеются первая поверхность 403, действующая как входная поверхность, и вторая поверхность 404, действующая как выходная поверхность. На второй поверхности 404 имеются выступы, направляющие первую часть света в одном или более боковых направлениях, ориентированных в сторону от направления, в котором свет выходит из прозрачного элемента через его вторую поверхность. Один из этих выступов обозначен на фиг. 4а и 4b, как 405. На фиг. 4а и 4b некоторые световые пучки, принадлежащие первой части света, изображены штрихпунктирными стрелками, а некоторые световые пучки, принадлежащие второй части света, - штриховыми стрелками.

В неограничивающем варианте световода 401, проиллюстрированном на фиг. 4а и 4b, на второй поверхности 404 прозрачного элемента, в областях между выступами, имеются волнообразные участки 414, которые полезны для модифицирования распределения второй части света. Например, волнообразные участки могут содержать сходящиеся и расходящиеся отклонения от плоского профиля. В результате поверхности, имеющие волнообразные участки, обеспечивают смешивание цветов. Подобная поверхность обеспечивает эффективное смешивание световых пучков с различными длинами волн с получением светового паттерна, соответствующего равномерному распределению всех длин волн в пределах паттерна. Снабжение световода 401 поверхностью, смешивающей цвета, как это описано выше, приводит к тому, что различные цвета, возникающие как следствие дефектов излучателя 402, эффективно перемешиваются с образованием однородного светового паттерна.

В световоде согласно данному неограничивающему варианту изобретения разность по высоте между нижними и верхними точками волнообразных участков 414 не превышает 50% высоты выступов. В варианте по фиг. 4b указанная разность обозначена, как h, а высота выступов - как Н. В световоде согласно данному варианту значение h разности между нижними и верхними точками волнообразных участков не превышает 25% высоты Н выступов.

В варианте световода 401 по фиг. 4а и 4b у первой поверхности 403 имеется первая часть 406 и, кроме того, вторая часть, которая снабжена призматическими гребнями, направляющими свет ко второй поверхности 404. У второй поверхности 404 имеются первая часть 407 и, кроме того, вторая часть, на которой имеются описанные выступы и волнообразные участки. Прозрачному элементу 415 могут быть приданы, например, такие размеры, что более 80% света, направленного к первой поверхности 403, принимается первой частью 406 этой поверхности и выходит из прозрачного элемента через первую часть 407 второй поверхности 404. При этом менее 20% света принимается второй частью первой поверхности и выходит из прозрачного элемента через вторую часть второй поверхности, тогда как менее 5% ориентируется в боковых направлениях посредством выступов второй части второй поверхности. Вторые части первой и второй поверхностей могут быть использованы, например, для формирования паттерна распределения света, который образует граничную область не с резкой границей между освещенной и неосвещенной областями, а с постепенно уменьшающейся освещенностью.

На фиг. 5 показан световод 501 согласно следующему варианту изобретения, предназначенный для изменения паттерна распределения света от излучателя 502. Световод показан в разрезе плоскостью, параллельной плоскости xz координатной системы 599. Фиг. 5 иллюстрирует также положение излучателя 502 относительно световода 501. Световод 501 содержит прозрачный элемент 515, изготовленный из твердого прозрачного материала, имеющего показатель преломления больше 1. У прозрачного элемента 515 имеются первая поверхность 503, действующая как входная поверхность, и вторая поверхность 504, действующая как выходная поверхность. На второй поверхности 504 имеются выступы, направляющие первую часть света в одном или более боковых направлениях, ориентированных в сторону от направления, в котором свет выходит из прозрачного элемента через его вторую поверхность. Один из этих выступов обозначен на фиг. 5, как 505. На фиг. 5 некоторые световые пучки, принадлежащие первой части света, изображены штрихпунктирными стрелками, а некоторые световые пучки, принадлежащие второй части света, - штриховыми стрелками. В этом неограничивающем примере в прозрачном элементе 515 выполнено отверстие 510, через которое часть света проходит без какого-либо ослабления материалом прозрачного элемента 515.

На фиг. 6 показан световод 601 согласно еще одному варианту изобретения, предназначенный для изменения паттерна распределения света от излучателя 602. Световод показан в сечении плоскостью, параллельной плоскости xz координатной системы 699. Фиг. 6 иллюстрирует также положение излучателя 602 относительно световода 601. Световод 601 содержит прозрачный элемент 615, изготовленный из твердого прозрачного материала, имеющего показатель преломления больше 1. У прозрачного элемента 615 имеются первая поверхность 603, действующая как входная поверхность, и вторая поверхность 604, действующая как выходная поверхность. На второй поверхности 604 имеются выступы, направляющие первую часть света в одном или более боковых направлениях, ориентированных в сторону от направления, в котором вторая (и большая) часть света выходит из прозрачного элемента через его вторую поверхность. Один из этих выступов обозначен на фиг. 6, как 605. На фиг. 6 некоторые световые пучки, принадлежащие первой части света, изображены штрихпунктирными стрелками, а некоторые световые пучки, принадлежащие второй части света, - штриховыми стрелками. В этом примере прозрачный элемент 615 имеет отражающую поверхность 612, которая обеспечивает полное внутреннее отражение для падающего на нее света, чтобы направлять его в сторону второй поверхности 604.

На фиг. 7а и 7b иллюстрируется осветительное устройство согласно неограничивающему варианту изобретения. На фиг. 7b устройство показано в сечении плоскостью А-А (см. фиг. 7а). Осветительное устройство содержит излучатели 702а, 702b и 702с, а также световоды 701а, 701b и 701с. Каждый световод выполнен согласно изобретению. Каждый из излучателей 702а-702с может содержать по меньшей мере один светодиод. В неограничивающем примере по фиг. 7а и 7b световоды 701а-701с являются частями цельной детали 719 из прозрачного материала.

Приведенные в описании конкретные примеры не должны рассматриваться как ограничивающие объем и/или область применения изобретения, определяемые прилагаемой формулой. Так, хотя в представленных примерах световод содержит только прозрачный материал, в других вариантах он может иметь также части, изготовленные из непрозрачного материала, например механические части, несущие или поддерживающие излучатель.

Световод для изменения паттерна распределения света от излучателя содержит прозрачный элемент, у которого имеются: первая входная поверхность – поверхность линзы Френеля, и вторая выходная поверхность. Вторая поверхность снабжена выступами в виде осесимметричных выпуклостей, которая направляет первую часть света в боковых направлениях, ориентированных в сторону от направления, в котором из прозрачного элемента через его вторую поверхность выходит свет. Каждому выступу придан профиль, обеспечивающий полное внутреннее отражение для светового пучка, принадлежащего к первой части света, в первой точке поверхности выступа, и преломление отраженного светового пучка во второй точке его поверхности, чтобы ориентировать световой пучок в боковых направлениях. Технический результат – обеспечение возможности наблюдения света, выходящего из световода, под малым углом к его поверхности. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Световод (201, 301, 401, 501, 601) для изменения паттерна распределения света от излучателя, содержащий прозрачный элемент (215, 315, 415, 515, 615), изготовленный из прозрачного материала с показателем преломления больше 1 и имеющий:

первую поверхность (203, 403, 503, 603), действующую как входная поверхность для приема света, и

вторую поверхность (204, 404, 504, 604), действующую как выходная поверхность для света,

при этом вторая поверхность снабжена одним или более выступами (205, 305, 405, 505), направляющими первую часть света в одном или более боковых направлениях, ориентированных в сторону от направления, в котором из прозрачного элемента через его вторую поверхность выходит вторая часть света, составляющая более половины света, выходящего из прозрачного элемента через его вторую поверхность, причем каждому выступу придан профиль, обеспечивающий полное внутреннее отражение для светового пучка, принадлежащего к первой части света, в первой точке (208) поверхности выступа, и преломление отраженного светового пучка во второй точке (209) его поверхности,

отличающийся тем, что выступы выполнены сужающимися, с закругленной вершиной, и каждый выступ окружен участками второй поверхности, занимающими пространство между сужающимися выступами, причем диаметр наименьшей окружности, описанной вокруг основания одного или более из сужающихся выступов, не превышает 10% наименьшего расстояния между соседними выступами.

2. Световод по п. 1, в котором на второй поверхности, в областях между выступами, имеются волнообразные участки (414), способные модифицировать распределение второй части света.

3. Световод по п. 2, в котором разность по высоте между нижними и верхними точками волнообразных участков не превышает 50% высоты выступов.

4. Световод по п. 3, в котором разность по высоте между нижними и верхними точками волнообразных участков не превышает 25% высоты выступов.

5. Световод по п. 1, в котором каждый из сужающихся выступов (205) обладает вращательной симметрией относительно геометрической линии, параллельной высоте указанного сужающегося выступа.

6. Световод по п. 1, в котором у первой поверхности имеются первая часть (206) и окружающая ее вторая часть, снабженная призматическими гребнями (211), способными направлять свет ко второй поверхности за счет выполнения каждого призматического гребня обеспечивающим полное внутреннее отражение для входящего в него светового пучка.

7. Световод по п. 6, в котором первая часть первой поверхности выполнена выпуклой, плоской или вогнутой.

8. Световод по п. 6, в котором у второй поверхности имеются первая часть (207) и окружающая ее вторая часть, на которой выполнены выступы, способные направлять первую часть света в одном или более боковых направлениях в сторону от направления, в котором вторая часть света выходит из прозрачного элемента через его вторую поверхность.

9. Световод по п. 8, в котором первая часть второй поверхности выполнена выпуклой, плоской или вогнутой.

10. Световод по п. 1, выполненный с возможностью направлять посредством выступов в боковых направлениях первую часть света, составляющую не менее 3% и не более 20% света, выходящего из прозрачного элемента через его вторую поверхность.

11. Световод по любому из пп. 1-10, в котором прозрачный материал световода выбран из группы, содержащей: акриловый пластик, поликарбонат и оптический силикон.

12. Осветительное устройство, содержащее один или более световодов (701а-701с), выполненных в соответствии с любым из пп. 1-11, и один или более излучателей (702а-702с) для испускания света в направлении первых поверхностей световодов.

13. Осветительное устройство по п. 12, в котором прозрачные элементы одного или более световодов являются частями единственной цельной детали (719) из прозрачного материала.

14. Литейная форма, имеющая профиль, пригодный для изготовления, методом фасонного литья, прозрачного элемента световода, согласно любому из пп. 1-11.