Осветительная система с гравитационно-управляемым световым пучком
Предложена осветительная система, содержит, по меньшей мере, один источник света и, по меньшей мере, первый оптический элемент. Источник света генерирует световой пучок, а первый оптический элемент преломляет световой пучок. Источник света и первый оптический элемент выполнены так, что источник света и/или первый оптический элемент могут перемещаться под воздействием гравитационного поля таким образом, что расстояние между источником света и первым оптическим элементом зависит от ориентации осветительной системы относительно гравитационного поля. Система содержит второй оптический элемент, неподвижно закрепленный на корпусе. Первый и второй оптические элементы содержатся в корпусе. Первый оптический элемент представляет собой положительную линзу или матрицу положительных элементарных линз. Второй оптический элемент представляет собой отрицательную линзу или матрицу отрицательных элементарных линз. Первый оптический элемент расположен между источником света и вторым оптическим элементом. Обеспечивается устранение искажения испускаемого светового пучка. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение касается осветительной системы, содержащей, по меньшей мере, один источник света для генерирования светового пучка, а также оптические элементы для манипулирования световым пучком, при этом осветительная система устроена так, что характеристики светового пучка зависят от ориентации осветительной системы относительно гравитационного поля.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Такая осветительная система известна, например, из патента США 3860811, в котором раскрыто осветительное устройство, испускающее световые пучки различной ширины. Осветительное устройство содержит источник света, а также линзу для преломления света, исходящего от источника света. Между источником света и линзой расположена камера линзы, которая сообщается посредством текучей среды с накопительной камерой. Когда осветительное устройство находится в положении первой ориентации, камера линзы заполнена текучей средой, при этом световое излучение от источника света проходит через жидкость и через линзу, прежде чем покидает осветительное устройство. Когда осветительное устройство совершает поворот ко второй ориентации, под действием гравитации жидкость выходит из камеры линзы в накопительную камеру за пределы траектории распространения света. Световое излучение от источника света в этом случае должно проходить только через пустую камеру линзы и линзу, прежде чем покинет осветительное устройство. Ширина и интенсивность светового пучка, таким образом, зависят от ориентации осветительного устройства.
Один из недостатков осветительного устройства по патенту США 3860811 заключается в том, что камера линзы и накопительная камера должны изготовляться и заполняться жидкостью так, чтобы сохранять абсолютную герметичность, не допуская утечки текучей среды. Даже малая утечка может снизить качество создаваемого светового пучка в силу испарения жидкости. Кроме того, загрязнения или малые выступы на поверхности камеры линзы могут привести к тому, что капли жидкости останутся в камере линзы, когда вся жидкость должна перейти в накопительную камеру, что приводит к нежелательным искажениям испускаемого светового пучка.
Другой возможный способ получения гравитационно-контролируемых световых эффектов раскрыт, например, в WO 03/008858 A1, где описана осветительная система, в которой используются три переключателя, срабатывающих при наклоне, для детектирования ориентации системы. Переключатели, срабатывающие при наклоне, связаны с программируемой логической схемой. Программируемая логическая схема связана со светоизлучающим средством, выполненным с возможностью создания различных осветительных эффектов, зависящих от распознанной ориентации осветительной системы.
Недостаток такой осветительной системы заключается в том, что имеется риск сбоя в работе сложной электроники. Помимо этого, многие осветительные эффекты требуют перемещения оптических элементов. Для электронного управления таким перемещением требуются дополнительные сложные и громоздкие исполнительные компоненты.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения заключается в создании осветительной системы с гравитационным управлением, лишенной вышеупомянутых недостатков.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту изобретения данная задача решается путем создания осветительной системы, содержащей, по меньшей мере, один источник света и, по меньшей мере, первый оптический элемент. Данный, по меньшей мере, один источник света выполнен для генерирования светового пучка. Первый оптический элемент выполнен для изменения характеристики пучка для светового пучка. Источник света и первый оптический элемент выполнены так, что источник света и/или первый оптический элемент могут перемещаться под воздействием гравитационного поля таким образом, что взаимные расположения источника света и первого оптического элемента зависят от ориентации осветительной системы относительно гравитационного поля.
Характеристики пучка, такие как цвет, ширина и расходимость пучка, исходящего от осветительной системы, зависят от многих факторов, таких как расходимость и ширина сгенерированного пучка, коэффициент преломления оптического элемента, а также взаимное расположение источника света и оптического элемента. Если ориентация осветительной системы относительно гравитационного поля изменяется, вес оптического элемента или источника света вызовет смещение упомянутого элемента, а также изменение взаимного расположения источника света и оптического элемента. В результате изменяется способ воздействия оптического элемента на световой пучок. Некоторые или все световые лучи светового пучка могут следовать по иной траектории, чем ранее, и могут приходить на оптические элементы в другом месте или под другим углом. Если гравитационные силы изменяют взаимные расположения источников света и оптических элементов, характеристики пучка изменяются соответствующим образом. Гравитационное поле, оказывающее влияние на расстояние между источником света и оптическим элементом, обычно является гравитационным полем Земли.
Осветительная система дополнительно содержит второй оптический элемент, при этом первый и второй оптические элементы содержатся в корпусе. Второй оптический элемент неподвижно закреплен на корпусе, а первый оптический элемент выполнен с возможностью свободного перемещения между первым положением и вторым положением под воздействием гравитационного поля.
При одной ориентации, свободно перемещающийся первый оптический элемент совершает падение в направлении зафиксированного второго оптического элемента. При другой ориентации, свободно перемещающийся первый оптический элемент совершает падение в направлении от зафиксированного второго оптического элемента. Форма корпуса или блокирующие элементы, закрепленные на корпусе, могут определять, насколько далеко допускается падение свободно перемещающегося первого оптического элемента. При одной из ориентаций, падение свободно перемещающегося первого оптического элемента может завершиться, когда он упадет на поверхность второго оптического элемента.
Оптические элементы представляют собой положительную линзу, отрицательную линзу, матрицу положительных элементарных линз или матрицу отрицательных элементарных линз. В предпочтительном варианте осуществления положительная линза и отрицательная линза имеют, по существу, одинаковый радиус кривизны, при этом положительная линза и отрицательная линза выполнены так, что они, по существу, пригоняются друг к другу, когда расстояние минимально. На этом минимальном расстоянии данные две линзы не создают совокупного оптического эффекта. Тот же эффект может быть получен при использовании матриц положительных и отрицательных элементарных линз, в которых матрица положительных элементарных линз и матрица отрицательных элементарных линз имеют, по существу, одинаковый радиус кривизны и, по существу, одинаковый шаг, при этом матрица положительных элементарных линз и матрица отрицательных элементарных линз выполнены так, что они, по существу, пригоняются друг к другу, когда расстояние минимально.
При необходимости поверхность второго оптического элемента содержит прозрачную цветовую субчасть, при этом первый и второй оптические элементы выполнены так, что когда расстояние составляет заданную величину, цветовая субчасть располагается в фокальной точке первого оптического элемента. Прозрачная цветовая субчасть может содержать фосфоресцирующий материал.
Если параллельный световой пучок преломляется первым оптическим элементом, а прозрачная цветовая субчасть находится на заданном расстоянии, оптический элемент фокусирует световой пучок на прозрачную цветовую субчасть. В результате цвет светового пучка изменяется на цвет прозрачной цветовой субчасти. Второй оптический элемент или дополнительный оптический элемент далее может распространять окрашенный свет в среде осветительной системы. Когда расстояние между первым оптическим элементом и вторым оптическим элементом изменяется, прозрачная цветовая субчасть оказывается не в фокусе, при этом будет окрашена лишь часть светового пучка.
В данном варианте осуществления важно, чтобы имеющая иную окраску субчасть покрывала только относительно малую часть площади поверхности второго оптического элемента. Размер цветовой субчасти предпочтительно должен быть достаточным лишь для окрашивания полностью всего пучка, когда она находится в фокальной точке первого оптического элемента или очень близко к ней. Когда цветовая субчасть находится не в фокусе, цвет светового пучка должен, главным образом, определяться значительно большей оставшейся частью площади поверхности второго оптического элемента.
Эти и другие аспекты изобретения станут понятны из вариантов осуществления, описанных ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - осветительная система по изобретению, освещающая пол,
фиг.2 - осветительная система, представленная на фиг.1, освещающая потолок,
фиг.3 - увеличенное изображение осветительной системы, представленной на фиг.1,
фиг.4 - увеличенное изображение осветительной системы, представленной на фиг.2,
фиг.5 - осветительная система, способная обеспечивать свет различных цветов,
фиг.6 - осветительная система, представленная на фиг.5, в другой ориентации,
фиг.7 - еще одна осветительная система, способная обеспечивать свет различных цветов,
фиг.8 - осветительная система, представленная на фиг.7, в другой ориентации,
фиг.9 - гравитационно-зависимая осветительная система, имеющая параболический отражатель,
фиг.10 - гравитационно-зависимая осветительная система, представленная на фиг.9, в другой ориентации, а также
Фиг.11a и 11b - гравитационно-зависимая осветительная система с подвижным источником света.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показана лампа 10 по изобретению, освещающая пол 14. Лампа 10 содержит корпус 11 и держатель 13 для крепления корпуса 11, например, к стенке 16. Ориентация корпуса 11 такова, что световое излучение 12 от лампы 10 направлено на пол 14. Световой пучок 12 является, по существу, параллельным и не слишком широким, что приводит к относительно высокой интенсивности освещения, позволяющей, например, читать.
На фиг.2 показана лампа 10, представленная на фиг.1, освещающая потолок 15. Ориентация корпуса 11 может изменяться, например, путем поворота корпуса 11 или всей лампы 10 в целом, включая держатель 13. В результате такого поворота, а также под действием гравитационного поля Земли один или несколько параметров испускаемого светового пучка 12 изменяются. В данном примере узкий параллельный световой пучок 12, показанный на фиг.1, изменяется на более широкий расходящийся пучок. В результате свет 12 освещает более значительную площадь поверхности, при этом интенсивность светового излучения снижается.
Параметры светового пучка 12, которые могут изменяться, включают в себя, например, ширину пучка, цвет или цветовую температуру, интенсивность светового излучения или расходимость светового пучка 12. Далее со ссылкой на фиг.3-8 описан ряд вариантов осуществления, чтобы показать возможные способы того, как гравитация может управлять некоторыми параметрами светового пучка 12. Следует, однако, отметить, что описанные варианты осуществления - всего лишь примеры лампы в соответствии с изобретением, при этом эти и другие параметры светового пучка могут стать гравитационно-зависимыми с помощью альтернативных способов, подпадающих под объем изобретения.
На фиг.3 показано увеличенное изображение лампы 10, представленной на фиг.1. На этом увеличенном изображении можно видеть, что корпус 11 содержит источник 21 света, оптические элементы 22, 23, а также блокирующие элементы 24. Источник 21 света может представлять собой, например, матрицу светоизлучающих диодов (LED) или галогенную лампу. В силу ориентации корпуса 11 световое излучение 12 направлено вниз. Перед выходом светового излучения 12 из корпуса 11 оно проходит через два оптических элемента 22, 23. Первый оптический элемент представляет собой матрицу 22 положительных элементарных линз, обеспечивающую схождение поступающего светового пучка 12. Второй оптический элемент представляет собой матрицу 23 отрицательных элементарных линз, обеспечивающую расходимость светового пучка 12, поступающего из матрицы 22 положительных элементарных линз. В данном варианте осуществления матрица 22 положительных элементарных линз выполнена с возможностью перемещения вверх и вниз через корпус 11. Матрица отрицательных элементарных линз неподвижно крепится к корпусу. Когда корпус 11 находится в данной ориентации, при которой свет 12 освещает пол, матрица 22 положительных элементарных линз опущена вниз по направлению к матрице 23 отрицательных элементарных линз. Если радиус кривизны и шаг обеих матриц 22, 23 одинаковы, матрицы точно пригоняются друг к другу, при этом сочетание двух оптических элементов 22, 23 не приведет к совокупному рефракционному воздействию на световой пучок 12, исходящий от источника 21 света. Если источник 21 света создает параллельный пучок, световой пучок 12, выходящий из корпуса 11, также будет параллельным.
На фиг.4 также показано увеличенное изображение лампы 10, представленной на фиг.2. В действительности, это та же лампа 10, что и на фиг.3, но в другой ориентации. Световое излучение 12 теперь направлено на потолок 15. Благодаря гравитационным силам матрица 22 положительных элементарных линз опускается вниз, пока ее движение не будет остановлено двумя блокирующими элементами 24 в корпусе 11 и матрица положительных элементарных линз не займет заданное положение. Разумеется, перемещение матрицы 22 положительных элементарных линз может быть прекращено различными способами. Например, внутренний диаметр корпуса 11 может быть таков, что матрица 22 положительных элементарных линз не сможет пройти за пределы заданного положения. По альтернативному варианту перемещение матрицы 22 положительных элементарных линз блокируется источником 21 света. Следует отметить, что в обоих ориентационных положениях свет проходит через одни и те же оптические элементы. Изменение расстояния между источником света и оптическими элементами определяет влияние ориентации на световой пучок.
В новом положении расстояние от матрицы 22 положительных элементарных линз до матрицы 23 отрицательных элементарных линз увеличивается. В отличие от фиг.3, световое излучение 12 от источника 21 света не проходит через оптические элементы, не претерпевая рефракции. Световое излучение 12, теперь, сначала подвергается рефракции и расходится на матрице положительных элементарных линз. В данном примере источник 21 света обеспечивает параллельный световой пучок, при этом каждая элементарная линза матрицы элементарных линз создает точку фокусировки светового излучения в фокальной плоскости 41. За фокальной плоскостью 41 световое излучение 12 расходится, достигает матрицы 23 отрицательных элементарных линз и претерпевает рефракцию с образованием еще более расходящегося светового пучка 12, что весьма подходит для освещения более значительных частей потолка 15. Следует отметить, что тот же эффект можно получить, если использовать положительную линзу и отрицательную линзу вместо матриц положительных и отрицательных элементарных линз.
На фиг.5 показана лампа 50, способная обеспечивать световое излучение 12 различных цветов. В принципе, данная лампа 50 работает так же, как и лампа на фиг.3 и 4. Однако существуют два важных отличия. Первое отличие заключается в том, что матрица 23 отрицательных элементарных линз предшествующего варианта осуществления заменена на прозрачный элемент 51. Прозрачный элемент 51 не преломляет световое излучение 12, исходящее от матрицы положительных элементарных линз. Световое излучение 12 сводится матрицей 22 положительных элементарных линз, проходит через прозрачный элемент и образует пятна в фокальной плоскости 41 за пределами лампы 50. От этих фокальных пятен световое излучение 12 расходится, образуя расходящийся пучок света 12 для освещения поверхности под лампой 50.
Второе отличие от предшествующего варианта осуществления заключается в том, что прозрачный элемент 51 содержит прозрачный материал двух различных цветов. Наибольшая часть прозрачного элемента 51 имеет первый цвет. Малая часть прозрачного элемента, например 5% или 1%, имеет второй цвет. Положение пятен 52, имеющих неодинаковый цвет, будет рассмотрено ниже со ссылкой на фиг.6. Цветовое пятно 52 может быть интегрировано в прозрачный элемент 51 либо нанесено на него. Когда лампа 50 находится в ориентации, показанной на фиг.5, влияние малых цветовых пятен 52 на общий цвет светового излучения 12, испускаемого лампой 50, ничтожно мало.
На фиг.6 показана лампа 50, представленная на фиг.5, в другой ориентации. Как и на фиг.4, матрица 22 положительных элементарных линз опускается вниз, и покоится поверх блокирующих элементов 24. В данной лампе 50 блокирующие элементы расположены так, что фокальная плоскость матрицы 23 положительных элементарных линз совпадает с прозрачным элементом 51. Если источник 21 света генерирует, по существу, параллельный световой пучок 12, матрица 22 положительных элементарных линз создает фокальные световые пятна в плоскости прозрачного элемента 51. Цветовые пятна 52 расположены на прозрачном элементе 51 или в прозрачном элементе 51, в местоположениях, в которых матрица 22 положительных элементарных линз образует световые пятна. В результате наибольшая часть светового излучения 12, выходящего из лампы 50, проходит через цветовые пятна 52. Расходящееся световое излучение 12, исходящее от лампы 50, таким образом, приобретает цвет цветовых пятен 52 и имеет иной цвет, чем световое излучение, испускаемое лампой 50 в ориентации, показанной на фиг.5.
На фиг.7 показана еще одна лампа 70, способная обеспечить световое излучение различных цветов. В действительности лампа 70 представляет собой сочетание ламп 10, 50, представленных на фигурах 3 и 5. Как и в лампе 10 на фиг.3, в лампе 70 используется сочетание матрицы 22 положительных элементарных линз и матрицы 71 отрицательных элементарных линз, имеющих, по существу, одинаковый радиус кривизны и, по существу, одинаковый шаг. На поверхность каждой элементарной линзы матрицы 71 отрицательных элементарных линз нанесено цветовое пятно 72. Цветовые пятна 72 могут быть созданы, например, путем точечного нанесения фосфоресцирующего или иного материала. На фиг.7 лампа показана в ориентации, при которой световой пучок 12 выходит из лампы 70, имея цвет, определяемый цветом матриц 22, 71 элементарных линз. На фиг.8 показана лампа, представленная на фиг.7, в другой ориентации, при этом световое излучение 12, выходящее из лампы 70, дополнительно окрашено цветовыми пятнами 72.
На фиг.9 показана гравитационно-зависимая осветительная система 90, имеющая параболический отражатель 92. Осветительная система 90 содержит корпус 95 с подвижным параболическим отражателем 92, имеющим фокальную точку 93, совпадающую с источником 91 света. В данном варианте осуществления источник 91 света неподвижно закреплен на корпусе 95, а отражатель 92 выполнен с возможностью свободного перемещения между корпусом 95 лампы и блокирующими элементами 94 под воздействием гравитации. В ориентации, показанной на фиг.9, при которой отражатель 92 покоится на дне корпуса 95, а источник 91 света расположен в фокальной точке 93 отражателя 92, из лампы 90 будет выходить пучок, по существу, параллельных световых лучей 12. На фиг.10 показана гравитационно-зависимая лампа 90, представленная на фиг.9, в другой ориентации. Лампа 90 находится в перевернутом положении относительно ориентации, показанной на фиг.9. Отражатель 92 в этом случае покоится на блокирующих элементах 94. В результате световое излучение 12 более не исходит из фокальной точки 93 отражателя 92 и более не является параллельным.
Следует отметить, что специалист сможет легко откорректировать данный вариант осуществления, так чтобы лампа 95 испускала параллельный световой пучок 12, когда светит вниз, и расходящийся пучок, когда освещает потолок. Это можно осуществить, например, путем размещения источника 91 света таким образом, чтобы он находился в фокальной точке 93 при ориентации, представленной на фиг.10. Как и на фиг.5-8, цветовой элемент, нанесенный или интегрированный в поверхность отражателя 92, может оказать влияние на цвет излучаемого света 12. Это влияние будет неодинаковым для параллельного светового пучка и для расходящегося пучка.
На фиг.11a и 11b показана гравитационно-зависимая световая система 110, имеющая подвижный источник 97 света. Осветительная система 110 содержит корпус 95 с неподвижно закрепленным параболическим отражателем 92, имеющим фокальную точку 93, совпадающую с источником 97 света. В ориентации, показанной на Фиг.11a, при которой источник 97 света расположен в фокальной точке 93 отражателя 92, из лампы 110 будет выходить пучок, по существу, параллельных световых лучей 12. На фиг.11b показана гравитационно-зависимая лампа 110, представленная на Фиг.11a, в другой ориентации. Лампа 110 находится в перевернутом положении относительно ориентации, показанной на фиг.11a. Источник 97 света в этом случае покоится на блокирующем элементе 96. В результате световое излучение 12 более не исходит из фокальной точки 93 отражателя 92 и более не является параллельным.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют изобретение, а не ограничивают его, при этом специалисты в данной области техники смогут предложить многие альтернативные варианты осуществления, не отходя от объема изобретения согласно прилагаемой формуле изобретения. В формуле изобретения ни одна из ссылочных позиций, приведенных в скобках, не должна рассматриваться как ограничивающая формулу изобретения. Использование глагола «содержать» и его сопряженных форм не исключает наличия других элементов или этапов, отличных от тех, которые приведены в формуле изобретения. Использование единственного числа в характеристике элемента не исключает возможности присутствия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством аппаратного обеспечения, содержащего ряд конкретных элементов, а также посредством компьютера с соответствующей программой. В пунктах формулы изобретения, касающихся устройства, в которых перечислен ряд средств, некоторые из таких средств могут быть реализованы одним и тем же элементом аппаратного обеспечения. Тот факт, что определенные меры упомянуты во взаимно отличающихся пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих мер не может быть использовано с выгодой.
1. Осветительная система (10, 50, 70, 90, 110), содержащая:
- по меньшей мере, один источник (21, 91, 97) света для генерирования светового пучка (12), и
- по меньшей мере, первый оптический элемент (22, 92) для изменения характеристики пучка светового пучка (12),
причем источник (21, 91, 97) света и первый оптический элемент (22, 92) выполнены так, что источник (21, 91, 97) света и/или первый оптический элемент (22, 92) могут перемещаться под воздействием гравитационного поля таким образом, что взаимные расположения источника (21, 91) света и первого оптического элемента (22, 92) зависят от ориентации осветительной системы (10, 50, 70, 90, 110) относительно гравитационного поля,
- второй оптический элемент (23, 51, 71), при этом первый и второй оптические элементы содержатся в корпусе (11), причем второй оптический элемент (23, 51, 71) неподвижно закреплен на корпусе (11),
при этом первый оптический элемент представляет собой положительную линзу или матрицу (22) положительных элементарных линз, а второй оптический элемент представляет собой отрицательную линзу или матрицу (23, 71) отрицательных элементарных линз, и
при этом первый оптический элемент (22) расположен между источником (21) света и вторым оптическим элементом (23, 71).
2. Осветительная система по п.1, в которой положительная линза и отрицательная линза имеют, по существу, одинаковый радиус кривизны, и при этом положительная линза и отрицательная линза выполнены так, что они, по существу, пригоняются друг к другу, когда расстояние минимально.
3. Осветительная система (10, 70) по п.1, в которой матрица (22) положительных элементарных линз и матрица (23, 71) отрицательных элементарных линз имеют, по существу, одинаковый радиус кривизны и, по существу, одинаковый шаг, при этом матрица (22) положительных элементарных линз и матрица (23, 71) отрицательных элементарных линз выполнены так, что они, по существу, пригоняются друг к другу, когда расстояние минимально.
4. Осветительная система (50, 70) по п.1, в которой поверхность второго оптического элемента (51, 71) содержит прозрачную цветовую субчасть (52, 72), при этом первый и второй оптические элементы выполнены так, что, когда расстояние между источником света и первым оптическим элементом составляет заранее заданную величину, цветовая субчасть (52, 72) расположена в фокальной точке первого оптического элемента (22).
5. Осветительная система (50, 70) по п.4, в которой цветовая субчасть (52, 72) содержит фосфоресцирующий материал.
