Оптический элемент со светодиодом и содержащий его источник света
Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является повышение равномерности освещения. Оптический элемент включает в себя световод, в который подается свет от одного или более светодиодов в световой головке, расположенной на одном конце световода, и отражатель, расположенный на другом конце световода, способный к отражению света, падающего на отражатель. Световод дополнительно включает в себя призматическую поверхность, содержащую множество призм, причем каждая из призм расположена под углом к осевому направлению световода для направления света, излученного от световой головки, по направлению к выходному концу световода. Источник света включает в себя оптический элемент по любому из пп.1-12, и выполнен с возможностью переоснащения светильника, использующего источник света с нитью накаливания. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в общем к области конструкции освещения. В частности, настоящее изобретение относится к светодиодному (LED) оптическому элементу и источнику света, выполненному с возможностью переоснащения светильника, использующего источники света с нитью накаливания, как, например, электрические лампочки.
Уровень техники
Традиционные источники света с нитью накаливания обычно преобразуют электрический ток в свет посредством подвода тока к нити накаливания, типично изготовленной из вольфрама, что является причиной свечения нити накаливания. Нить накаливания обычно удерживается близко к центру стеклянной колбы, таким образом, предоставляя свет, имеющий радиальное распространение, который может использоваться для освещения, например, комнаты. Такие традиционные источники света с нитью накаливания типично используются в люстрах. По причине высокой яркости спирали накаливания (~1 Мкд/м2) хрусталь люстры демонстрирует декоративные эффекты переливающегося света. Однако срок службы источников света с нитью накаливания типично является относительно коротким и обычно ограничен сроком службы нити накаливания. Кроме того, стеклянная колба обычно становится очень горячей по причине высокой температуры нити накаливания, представляя потенциальную опасность ожога объектов, которые соприкасаются со стеклянной колбой.
Замена источников света с нитью накаливания светодиодными источниками света обычно облегчает или устраняет вышеупомянутые задачи. Кроме того, такое замещение обеспечивает значительное улучшение эффективности, т.е. отношения светового потока, производимого источником света, к количеству энергии (или мощности), требуемого для его производства. Однако большинство светодиодов способны излучать свет только в полусфере (пространственный угол 2πsr), тогда как источники света с нитью накаливания, применяющие спираль накаливания, обычно излучают свет равномерно во все стороны (пространственный угол 4πsr).
Для того чтобы устранить этот недостаток, может быть предоставлен источник света, содержащий цилиндрический световод, имеющий отражатель, расположенный на одном из его концов, и один или более светодиодов, расположенных на другом его конце и помещенные во впадину цилиндрической формы, имеющую отражающие стенки вокруг светодиодов. Такая конфигурация может допустить достижение большого многостороннего распределения интенсивности света источника. Однако такая конфигурация, как правило, требует фольги с высокой способностью отражения или подобного, которая должна покрывать тонким слоем внутренние стенки впадины для того, чтобы достичь высокой оптической эффективности для источника света. Другой подобный подход состоит в том, чтобы использовать более низкую часть световода в качестве отражающей впадины. Таким образом, согласно этому подходу впадина цилиндрической формы, вмещающая в себя светодиоды, не требуется. Такая конфигурация обычно требует того, что способное к отражению покрытие применяется к более низкой части световода. Оба подхода могут быть использованы для создания источника света, имеющего высокую оптическую эффективность.
Однако такая фольга со способностью отражения или покрытия может увеличивать стоимость всего устройства, так как может потребоваться дополнительный материал, а также дополнительные этапы производства. Более того, вышеупомянутые подходы обычно требуют того, чтобы размеры световода были относительно большими, между тем как обычно желательно в дизайне света сохранить как можно меньшие размеры.
Раскрытие изобретения
В связи с вышеизложенным задачей настоящего изобретения является предоставление оптического элемента способного к излучению света, имеющего распределение интенсивности света, подобное источнику света с нитью накаливания, причем оптический элемент должен иметь низкую стоимость и допускать более простое изготовление в сравнении с традиционными устройствами.
Другая задача настоящего изобретения - предоставить светодиодный источник света, имеющий распределение интенсивности света, подобное источнику света с нитью накаливания, причем источник света должен иметь низкую стоимость и допускать более простое изготовление в сравнении с традиционными устройствами.
Эти и другие цели полностью или частично достигаются оптическим элементом и источником света в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предоставлен оптический элемент, включающий в себя светопроводящий световод, имеющий входной конец, выходной конец и центральную область между ними, причем световод продолжается вдоль осевого направления. Оптический элемент дополнительно включает в себя световую головку, включающую в себя по меньшей мере один светодиод, причем световая головка расположена прилегающей к входному концу для подачи света в центральную область, и отражатель, который расположен так, чтобы по меньшей мере часть света, падающего на отражатель, отражалась. Световод расположен так, что его коэффициент преломления является большим, чем коэффициент преломления внешней среды световода, и по меньшей мере часть внутренней поверхности границы световода включает в себя призматическую поверхность, содержащую множество призм, расположенных последовательно вдоль осевого направления, где каждая призма расположена под углом к осевому направлению.
Призмы призматической поверхности, содержащей по меньшей мере часть внутренней поверхности границы световода, допускают отражение света, излученного от световой головки, обратно в световод. Угол призм по отношению к осевому направлению может быть выбран так, что большинство света, излученного от световой головки и отраженного от призм, перемещается по направлению к выходному концу световода с минимальным многократным отражением света, происходящим в световоде в области входного конца. Угол призм по отношению к осевому направлению может быть выбран так, что он является достаточно большим для полного внутреннего отражения света, падающего на призмы. В альтернативном варианте протяженность в осевом направлении каждой призмы и/или угол по отношению к осевому направлению может быть, как правило, выбран индивидуально для получения желаемого угла отражения.
При такой конфигурации размерности световода могут быть сохранены небольшими, даже если в световой головке применяются светодиоды с относительно большими размерами, как, например, светодиод 4W Acriche от Seoul Semiconductors. Более того, оптический элемент не требует никакой дополнительной отражающей фольги или подобного, таким образом, уменьшая цену оптического элемента и/или упрощая его производство. К примеру, конфигурация световода допускает изготовление световода литьевым прессованием, так как световод может быть сконфигурирован так, что шаг призм вдоль осевого направления (расстояние в осевом направлении между прилежащими призмами на призматической поверхности) является относительно большим. Например, световая головка может быть смонтирована на подложку, как, например, на печатную плату (PCB), а затем световод может быть непосредственно смонтирован на PCB. В то же время конфигурация световода допускает сохранение или улучшение оптической эффективности оптического элемента в сравнении с традиционными устройствами. Более того, согласно конфигурации оптического элемента не существует необходимости в том, чтобы располагать световую головку в отражающей впадине. В связи с этим любое многократное отражение в более низком входном конце световода может быть фактически устранено, и таким образом можно по существу избежать отражения света, излученного от световой головки и введенного в световод, обратно к световой головке. Это также допускает то, что размеры световода останутся небольшими.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предоставлен источник света, включающий в себя оптический элемент согласно первому аспекту настоящего изобретения или его вариантов осуществления, выполненный с возможностью переоснащения светильника, применяющего источник света с нитью накаливания. Таким образом, предоставлен светодиодный источник света, который обычно более прост для изготовления, чем традиционные светодиодные источники света, при сохранении той же самой или улучшенной оптической эффективности в сравнении с традиционными светодиодными источниками света. Более того, при такой конфигурации предоставлен источник света, который преодолевает или смягчает недостатки традиционных источников света с нитью накаливания, как описано выше, а также предоставляет значительное улучшение эффективности источника света.
В контексте настоящего изобретения под термином "переоснащение" подразумевается встраивание в осветительный прибор, обычно использующийся для источников света с нитью накаливания, как, например, электрическая лампочка, галогенная лампочка и т.д. Другими словами, под переоснащением светильника, обычно применяющего источник света с нитью накаливания, источником света согласно настоящему изобретению подразумевается замена источника света с нитью накаливания в светильнике источником света согласно настоящему изобретению.
Более того, в контексте настоящего изобретения под термином "оптическая эффективность" подразумевается отношение светового потока, выведенного от оптического элемента (или источника света) и начального количества образованного светового потока.
Также в контексте настоящего изобретения под термином "внутренняя поверхность границы" подразумевается поверхность раздела между световодом и непосредственным окружением световода, причем поверхность имеет нормаль, направленную внутрь световода.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения протяженность осевого направления по меньшей мере одной из призм отличается от протяженности в осевом направлении других призм. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна из призм расположена под углом по отношению к осевому направлению, который отличается от угла по отношению к осевому направлению других призм. Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения протяженность в осевом направлении каждой призмы отличается от протяженности в осевом направлении других призм. Более того, согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения угол по отношению к осевому направлению каждой призмы отличается от угла по отношению к осевому направлению других призм. При использовании этих четырех вышеупомянутых конфигураций достигается повышенная адаптивность в отношении применения светодиодов изменяющихся размеров и количества в световодной головке по существу без усложнения процесса изготовления оптического элемента, между тем как сохраняется или улучшается оптическая эффективность оптического элемента в сравнении с традиционными устройствами.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения призматическая поверхность расположена в непосредственной близости к входному концу световода. Таким образом, любое многократное отражение света в световоде в области входного конца может быть дополнительно минимизировано, так как призмы могут эффективно направлять большее количество света, излученного от световода, к выходному концу световода.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения отражатель содержит одно или более из следующего: металлическое покрытие, как, например, алюминиевое покрытие, интерференционный фильтр, как, например, множество тонких слоев SiO2 и ZrO2, рассеивающее покрытие или люминофорное покрытие. При рассеивающих покрытиях яркость излученного света может быть значительно уменьшена, что может быть желательно в некоторых применениях для повышения визуального комфорта. При применении металлического покрытия, как, например, алюминия, обеспечивается относительно недорогая поверхность, но, тем не менее, с высоким уровнем отражения.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна отражающая грань расположена на отражающей поверхности так, что по меньшей мере часть света, падающего на грань, отражается. Такая отражающая грань может быть использована для создания существенных изменений интенсивности света как функции угла обзора пользователя. Таким образом, при такой конфигурации может быть предоставлено оптическое светоизлучающее устройство, которое демонстрирует строго зависящие от угла обзора эффекты переливающегося света.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения отражатель содержит по меньшей мере одну пропускающую часть, расположенную так, что по меньшей мере часть света, падающего на пропускающую часть, пропускается через отражатель. Согласно другому варианту осуществления пропускающая часть содержит сквозное отверстие, продолжающееся вдоль оси. Например, ось может быть прямой осью, совпадающей или параллельной осевому направлению световода. При таких конфигурациях может быть достигнута почти полная независимая от угла обзора интенсивность света, так как свету допускается либо проходить через пропускающую часть, либо быть отраженным на отражателе. Таким образом, излученный свет может быть таким, что он излучается по существу равномерно во все стороны (пространственный угол 4 πsr), по существу подобно распределению интенсивности света источника света с нитью накаливания.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения световод содержит смешивающий цвета стержень, продолжающийся вдоль осевого направления, в котором смешивающий цвета стержень содержит по меньшей мере часть центральной области световода. Смешивающий цвета стержень выполнен с возможностью смешивания света от множества источников (т.е. одного или более светодиодов в световой головке) и может иметь шестиугольное поперечное сечение. Также предусматривается, что смешивающий цвета стержень может иметь квадратное поперечное сечение, видимое в плоскости, перпендикулярной осевому направлению. Оба эти так называемые шестигранный и квадратный смешивающие цвета стержни являются очень эффективными для смешивания света различных цветов.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения отражающая поверхность расположена так, что по меньшей мере часть отражающей поверхности является либо вогнутой, либо выпуклой. При такой конфигурации свет от источника света может иметь пространственное распределение интенсивности, которое по существу подобно распределению интенсивности света источника света с нитью накаливания. Более того, при конкретном выборе вогнутой или выпуклой формы по меньшей мере упомянутой части отражающей поверхности поток света от источника света может быть по существу симметричным в отношении плоскости, перпендикулярной осевому направлению, или асимметричным в зависимости от требуемого применения освещения. Таким образом, в настоящем варианте осуществления может быть изготовлено широкое многообразие источников света, применяющих светодиоды, каждый, как правило, имеющий различные характеристики интенсивности света от других источников света согласно конкретным потребностям пользователя и/или требованиям оборудования освещения. Под терминами "вогнутый" и "выпуклый" подразумевается вогнутый в или впалый внутрь и выгнутый из или выдающийся наружу соответственно.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения источник света дополнительно включает в себя по меньшей мере одну прозрачную оболочку, по меньшей мере частично окружающую оптический элемент. При такой конфигурации может быть улучшена оптическая производительность (т.е. распределение интенсивности света) или визуальный комфорт (например, уменьшение яркости). По меньшей мере, одна прозрачная оболочка может содержать светорассеивающие элементы (расположенные по меньшей мере на одной прозрачной оболочке). Таким образом, яркость источника света может быть уменьшена, и/или распределение интенсивности света источника света может быть смягчено.
Следует принимать во внимание, что такая прозрачная оболочка может быть также использована для предоставления декоративного усовершенствования в том, что оно может быть расположено так, чтобы скрывать другие оптические элементы источника света от взгляда пользователя. Например, при подходящей поверхностной обработке прозрачная оболочка может быть расположена так, что будет демонстрировать морозное оформление, или, при необходимости или в альтернативном варианте, прозрачная оболочка может быть выполнена так, что она будет немного раскрашена пигментами, рассеянными в материале, из которого произведена прозрачная оболочка.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения источник света дополнительно включает в себя основание, на котором располагается световая головка, причем основание включает в себя электрический соединитель, выполненный с возможностью соединения с розеточным соединителем светильника или осветительного прибора. Основание дополнительно включает в себя электрическую схему, соединенную с электрическим соединителем, причем электрическая схема выполнена с возможностью принимать электроэнергию от электрического соединителя и посредством электроэнергии управлять световой головкой. Таким образом, достигается простота встраивания источника света в осветительный прибор или светильник, обычно применяющий источник света с нитью накаливания. Источник света может дополнительно включать в себя теплоотводящее устройство, расположенное на основании, причем теплоотводящее устройство приспособлено рассеивать тепло, сгенерированное источником света. Таким образом, поверхности источника света могут поддерживаться относительно холодными, чтобы избежать ожогов пользователя, вызванных контактом с источником света. Более того, срок службы источника света может быть увеличен по причине меньшего теплового напряжения и/или напряжения компонентов источника света.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения основание содержит PCB. Таким образом, световая головка может быть непосредственно смонтирована на PCB, что обеспечивает приспособляемость в отношении требований производительности (например, потребности в электроэнергии), а также облегчает изготовление источника света.
Другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения будут выявлены из следующего детального раскрытия из прилагаемой формулы изобретения, так же как из чертежей.
Как правило, все термины, использованные в формуле изобретения, должны интерпретироваться в соответствии с их обычными значениями в области техники, если только в материалах настоящей заявки явно не определено иначе. Все ссылки к элементу, устройству, компоненту, блоку, средству, этапу должны быть интерпретированы открыто как относящиеся по меньшей мере к одной единице элемента, устройства, компонента, блока, средства, этапа и т.д., если только явно не определено иначе.
Замечаем, что настоящее изобретение относится ко всем возможным сочетаниям признаков, перечисленных в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутое, также как дополнительные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения, будет лучше понятно на основании следующего иллюстративного и не ограничивающего детального описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции используются для идентичных или подобных элементов, на которых:
фиг.1 - схематичный вид в разрезе примерного варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.2а - схематичный вид в разрезе сбоку примерного варианта осуществления настоящего изобретения для описания принципов работы настоящего изобретения.
фиг.2b - вид в разрезе части варианта осуществления, проиллюстрированного на фиг.2а;
фиг.3а - схематичный вид примерного варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.3b - примерный профиль интенсивности света удаленного углового распределения интенсивности света, излученного оптическим элементом согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 - схематичный вид в разрезе другого примерного варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 - схематичный вид в разрезе еще одного примерного варианта осуществления настоящего изобретения и
фиг.6 - схематичный вид еще одного примерного варианта осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Фиг.1 - схематичный вид в разрезе, иллюстрирующий примерный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором оптический элемент 1 содержит светопередающий световод 2, продолжающийся вдоль осевого направления (оси z), световод 2, имеющий входной конец 2а и выходной конец 2b и центральную область 2с между ними. Оптический элемент 1 дополнительно содержит световую головку 3, содержащую один или более светодиодов, в этом конкретном случае один светодиод (LED) большого размера, такой как светодиод Acriche от Seoul Semiconductors и отражатель 4, имеющий отражающую поверхность 4а, обращенную к выходному концу 2b световода 2. Отражающая поверхность 4а при этом имеет нормаль (не показана), направленную к выходному концу 2b световода 2. Согласно проиллюстрированному примеру отражающая поверхность 4а расположена так, что по меньшей мере часть отражающей поверхности 4а вогнута, т.е. выгнута внутрь световода 2 (обычно по направлению к входному концу 2а). Как проиллюстрировано на фиг.1, световод 2 дополнительно содержит призматическую поверхность 5, которая будет далее дополнительно описана.
Должно быть понятно, что хотя прилагаемые чертежи иллюстрируют световоды, содержащие призматическую поверхность на обеих сторонах границы между внутренней частью световода и внешней частью световода, для световода необходимо содержать такую призматическую поверхность только на стороне границы между внутренней частью световода и внешней частью световода, имеющей нормаль, указывающую внутрь световода, для того чтобы достичь преимущества настоящего изобретения (другими словами, только внутренняя поверхность границы световода должна содержать такую призматическую поверхность для достижения преимуществ настоящего изобретения).
Отражатель 4, показанный на фиг.1, выполнен так, что по меньшей мере часть света, которая падает на отражатель 4, отражается. Доля света, отраженного от отражателя 4, зависит от коэффициента отражения отражателя 4. Отражатель 4 дополнительно расположен так, что он имеет отражающую поверхность 4а, которая обращена к выходному концу 2b и покрывает по меньшей мере часть выходного конца 2b. Например, от 80% до 90% поверхности выходного конца 2b может быть покрыто отражающей поверхностью 4а. В альтернативном варианте отражающая поверхность 4а может полностью покрывать поверхность выходного конца 2b. Отражатель 4 или в альтернативном варианте отражающая поверхность 4а может, например, содержать одно или более из следующего: металлическое покрытие, как, например, алюминий с высокой отражающей способностью, интерференционный фильтр с высокой отражающей способностью, как, например, множество тонких слоев SiO2 и ZrO2, белое рассеивающее покрытие или люминофорное покрытие. Интерференционный фильтр может быть расположен так, что он преднамеренно пропускает небольшую часть падающего не него света, например, так, что он пропускает около 4% падающего на него света, а оставшуюся часть падающего света отражает. При рассеивающих покрытиях яркость света, излученного от оптического элемента, может быть значительно уменьшена, что может быть желательно в некоторых применениях для повышения визуального комфорта. Рассеивающие покрытия могут быть также расположены так, что они будут пропускающими и отражающими.
Световод 2 может иметь цилиндрическую форму, хотя настоящее изобретение не ограничено этим конкретным случаем. И наоборот, геометрическая форма световода 2, пригодная для обеспечения функций и возможностей оптического элемента 1, предполагается охваченной настоящим изобретением. Также предполагается, что световод 2 может быть немного сужен по направлению к входному концу 2a, т.е. размеры световода 2 в плоскости, определенной осевым направлением и трансверсиальным направлением, перпендикулярным осевому направлению, могут становиться поступательно нарастающими вдоль осевого направления по направлению к выходному концу 2b. В примерном случае световода 2, имеющего цилиндрическую форму, это будет означать, что диаметр световода 2 становится поступательно нарастающим с расстоянием вдоль осевого направления по направлению к выходному концу 2b. Световод 2 может быть произведен из материала, выбранного из группы прозрачных полимеров, полимерных компаундов, стекла, поликарбоната, полиметилметакрилата, акриловой смолы, других типов пластмассы или их сочетаний.
Фиг.2а - схематичный вид в разрезе, иллюстрирующий примерный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором отражающая поверхность 4а расположена так, что по меньшей мере часть отражающей поверхности 4а вогнута, т.е. вогнута внутрь световода 2 (обычно по направлению к входному концу 2а).
Фиг.2b - вид примерного варианта осуществления, проиллюстрированного на фиг.2а, показывающий частичный вид световода 2 в крупном масштабе.
Далее описываются принципы работы оптического элемента 1 согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения с ссылкой на фиг.2a и фиг.2b. Свет, излученный от светодиода (или светодиодов) в световой головке 3, подается (пропускается) в центральную область 2с световода 2. Должно быть понятно, что небольшая часть света от светодиода отражается у границы световода у входного конца 2а типично около 4%, при этом оставшаяся часть света подается в центральную область 2с световода 2. Свет в световоде 2 затем обычно перемещается вдоль протяжения световода 2 по направлению к выходному концу 2b.
Призмы 5a, 5b, 5c, ... (из которых только некоторые указаны ссылочными позициями на фиг.2b) призматической поверхности 5, содержащей часть внутренней поверхности 2с границы световода 2, как проиллюстрировано на фиг.2b, допускают отражение света, излученного от световой головки 3, назад в световод 2. Угол призм 5a, 5b, 5c, ... по отношению к осевому направлению может быть выбран таким образом, чтобы большая часть света, излученного световой головкой 3 и отраженного призмами 5a, 5b, 5c, ..., перемещалась по направлению к выходному концу 2b световода 2 с минимальным множественным отражением света, происходящим в световоде 2 в области входного конца 2а. Угол призм 5a, 5b, 5c, ... по отношению к осевому направлению может быть выбран таким образом, чтобы он был достаточно большим для полного внутреннего отражения света, падающего на призмы. В альтернативном варианте протяженность каждой призмы в осевом направлении световода 2 и/или угол каждой призмы по отношению к осевому направлению световода 2 можно, как правило, выбирать индивидуально для получения желаемого угла отражения. Дополнительным альтернативным вариантом является выбор различных протяженностей в осевом направлении и/или различных углов по отношению к осевому направлению для всех призм 5a, 5b, 5c, ... Таким образом, при конфигурации световода 2, в частности конфигурацией призматической поверхности 5, большинство света, излученного от световой головки 3, может быть отражено вверх, т.е. в основном направлении от входного конца 2а к выходному концу 2b в световоде 2 без потребности, например, в дополнительном отражающем покрытии, расположенном в световой головке 2, как в традиционных устройствах.
К примеру, такая конфигурация световода 2 допускает простое изготовление световода 2 литьевым прессованием, так как световод 2 может быть сконфигурирован так, что шаг призм 5a, 5b, 5c, ... вдоль осевого направления (расстояние в осевом направлении между прилежащими призмами на призматической поверхности) является относительно большим. Например, световая головка 3 может быть смонтирована на подложку, как, например, PCB, а световод 2 может быть впоследствии напрямую смонтирован на подложку.
Также при этой конфигурации общие размеры оптического элемента могут быть сохранены небольшими. К примеру, согласно примерному случаю для световой головки, содержащей одиночный светодиод, имеющий поверхность излучения около 4 мм х 4 мм, и светодиодную головку, имеющую диаметр около 10 мм (что является типичным для светодиода типа 4W Acriche от Seoul Semiconductors), диаметр световода (предполагается примерный случай с цилиндрическим световодом) может быть в пределах около 12 мм. Высота световода типично составляет около 25 мм. Принимая такие условия и дополнительно предполагая, что отражающая поверхность 4а имеет коэффициент отражения около 90%, может быть достигнута оптическая эффективность оптического элемента, большая чем около 85% (принимая во внимание потери на отражение каждой оптической поверхности в оптическом элементе).
В контексте настоящего изобретения под термином "внутренняя поверхность границы" подразумевается поверхность раздела между световодом 2 и ближайшим окружением световода 2, где поверхность имеет нормаль, обращенную вовнутрь световода 2.
Световод 2, как правило, сконфигурирован так, что коэффициент преломления световода 2 является большим, чем коэффициент преломления внешней среды световода 2, причем внешняя среда типично является воздухом, имеющим коэффициент преломления около 1. Другими словами, световод 2, как правило, выполнен так, что он имеет большую оптическую плотность, чем внешняя среда световода 2. Типично, световод 2 расположен так, что он имеет коэффициент преломления около 1,5 или выше, хотя он не ограничен к этому конкретному случаю.
Перемещение света в световоде 2 основывается на общем внутреннем отражении. Свет, перемещающийся в световоде 2, обычно не покидает световод 2, когда он достигает границы между световодом 2 и внешней средой в отношении световода 2, причем среда имеет меньшую оптическую плотность, чем световод 2, но отражается обратно в световод 2. С одной стороны, когда угол падения света, падающего на упомянутую границу, является большим, чем критический угол (т.е. угол падения, при котором свет преломляется так, что он перемещается вдоль поверхности границы), свет отражается обратно без потери. С другой стороны, для все меньших углов падения все большая доля подающего света будет пропускаться через поверхность границы из световода 2.
В контексте настоящего изобретения под термином "угол падения" подразумевается угол между лучом света, падающего на поверхность, и нормалью поверхности в точке падения, пока не будет оговорено иным образом.
Когда свет от световой головки 3, таким образом, перемещаемый в световоде 2, попадает на отражающую поверхность 4а отражателя 4, доля света отражается в зависимости от коэффициента отражения отражающей поверхности 4а. Например, отражающая поверхность 4а может быть расположена так, что она будет иметь коэффициент отражения, близкий к 1 или по существу 1. Из-за формы отражающей поверхности 4а большинство света, отраженного от отражающей поверхности 4а, преломляется на разделе между световодом 2 и внешней средой световода 2, а именно на внутренней поверхности границы, и затем покидает световод 2. При подходящем выборе формы отражающей поверхности 4а интенсивность света, который покидает световод 2, после того, как был отражен от отражающей поверхности 4а, может быть по существу подобна интенсивности света источника света с нитью накаливания. Две таких формы были проиллюстрированы в качестве неограничивающих примеров на фиг.1 и фиг.2а.
Фиг.3а - схематичный вид, иллюстрирующий примерный вариант осуществления настоящего изобретения. Оптический элемент, показанный на фиг.3а, во многих отношениях подобен оптическому элементу, описанному со ссылкой на фиг.1.
Фиг.3b - примерный профиль удаленного углового распределения интенсивности света, покидающего световод 2 оптического элемента, показанного на фиг.3а. Полная трехмерная интенсивность является поверхностью вращения вокруг осевого направления (оси z). Профиль интенсивности света, показанный на фиг.3b, основан на примерном случае, как описано выше, содержащем одиночный светодиод, имеющий поверхность излучения около 4 мм Ч 4 мм, и светодиодную головку, имеющую диаметр около 10 мм (типичный для светодиода типа 4 W Acriche).
Фиг.4 - схематичный вид в разрезе, иллюстрирующий примерный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором отражатель 4 дополнительно содержит пропускающую часть 6, расположенную так, что по меньшей мере часть света, падающего на пропускающий участок 6, пропускается через отражатель 4 так, что свет от световода 2 может покидать оптический элемент либо посредством прохождения через пропускающий участок 6, либо посредством отражения от отражателя 4 и затем выводится из световода 2. При такой конфигурации может быть достигнута, просматривая под всеми углами, независимая интенсивность света. Должно быть понятно, что пропускающая часть 6 может также продолжаться вдоль оси, которая находится под углом к осевому направлению. Ось, вдоль которой продолжается пропускающая часть 6, является, как правило, прямой, хотя также могут быть предложены пропускающие части 6, которые вогнуты под некоторым углом. Например, пропускающая часть 6 может быть частью отражателя 4, которая не покрыта отражающим материалом. Пропускающая часть 6 может также содержать сквозное отверстие, продолжающееся вдоль осевого направления (оси z), позволяя свету проходить через отверстие. Кроме того, некоторое количество света может быть отражено от рефлектора 4. Любой из оптических элементов описанных ранее вариантов осуществления и вариантов осуществления, описанных в последующем, может содержать такую пропускающую часть 6 или сквозное отверстие.
Фиг.5 - схематичный вид в разрезе, иллюстрирующий примерный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором отражающая поверхность 4а была предоставлена с отражающей гранью 4b, расположенной так, что по меньшей мере часть света, падающего на грань 4b, отражается. Любой из оптических элементов описанных ранее вариантов осуществления и вариантов осуществления, описанных в последующем, может содержать такую отражающую грань 4b. Более того, должно быть понятно, что другие варианты осуществления, содержащие любое подходящее количество граней, также находится в пределах объема настоящего изобретения. Такая грань 4b может быть использована для создания существенных изменений интенсивности света как функции угла обзора пользователя. При такой конфигурации, таким образом, допускающей создание существенных изменений пространственной интенсивности света, оптический элемент или светодиодный источник света может быть сконструирован с сильно зависящими от угла обзора переливающимися эффектами, например, когда используется в светильнике (как, например, в люстре).
Фиг.6 - схематичный вид, иллюстрирующий источник света 7 согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения, источник света 7, включающий в себя оптический элемент 1 согласно настоящему изобретению или его вариантам осуществления, выполненный с возможностью переоснащения светильника или осветительного прибора (не показан), обычно применяя источник света с нитью накаливания. Если требуется, оптический элемент 1 может быть по меньшей мере частично окружен одной или более прозрачными оболочками 8, как, например, проиллюстрировано на фиг.6. Источник 7 света может дополнительно включать в себя основу 9, на которую располагается оптический элемент или с которой соединяется оптический элемент 1, причем основание 9 содержит электрический соединитель 10, как правило, снабженный резьбой, который расположен так, что он допускает возможность соединения с розеточным соединителем (не показан), как правило, снабженным резьбой, светильника (не показан), применяющего источник света с нитью накаливания, как, например, электрическая лампочка или галогенная лампочка. Основание 9 может дополнительно содержать теплоотводящее устройство (не показано), выполненное с возможностью рассеивания тепла, сгенерированного световой головкой 3. При помощи теплоотводящего устройства компоненты источника света могут оставаться более холодными, таким образом, уменьшая тепловые нагрузки и/или нагрузку на компоненты источника света и в результате продлевая срок службы источника света. Более того, можно избежать любых возможных ожогов, причиняемых пользователю при контакте с источником света.
Прозрачная оболочка 8, как, например, проиллюстрировано на фиг.6, может быть выгодно использована для увеличения оптической производительности (т.е. распределения интенсивности света) или визуального комфорта (например, уменьшения яркости). Если требуется, прозрачная оболочка 8, как, например, стеклянная бесцветная колба, может быть предоставлена со светорассеивающими элементами, расположенными в прозрачной оболочке 8, для того чтобы, например, уменьшать яркость и сглаживать распределение интенсивности света. Прозрачная оболочка 8 также может быть использована для предоставления декоративной доработки, при которой она может быть расположена так, что она скроет другие оптические элементы, чтобы они не были видимы пользователю. Например, при подходящей поверхностной обработке прозрачная оболочка 8 может быть расположена так, что будет демонстрировать морозное оформление, или, если требуется или в альтернативном варианте, прозрачная оболочка 8 может быть расположена так, что она будет немного раскрашена пигментами, рассеянными в материале, из которого произведена прозрачная оболочка 8, например, в чистом полимере.
В контексте настоящего изобретения термин "переоснащение" подразумевает встраивание в осветительный прибор, обычно используемый для источников света с нитью накаливания, как, например, электрической лампочки, галогенной лампочки и т.д. Другими словами, под переоснащением светильника, обычно применяющего источник света с нитью накаливания, источником света согласно проиллюстрированному варианту осуществления, подразумевается замена источника света с нитью накаливания источником света согласно проиллюстрированному варианту осуществления.
В заключение настоящее изобретение относится к оптическому элементу, включающему в себя световод, в который подается свет от одного или более светодиодов в световой головке, расположенной на одном конце световода, и отражатель, размещенный на другом конце световода, способный к отражению света, падающего на отражатель. Световод дополнительно включает в себя призматическую поверхность, содержащую множество призм, причем каждая из призм расположена под углом к осевому направлению световода для направления света, излученного от световой головки, по направлению к выходному концу световода.
Настоящее изобретение было в общем описано выше со ссылкой на несколько вариантов осуществления. Однако, как без труда будет принято во внимание специалистом в данной области техники, варианты осуществления, отличные от раскрытых выше, равновозможно находятся в пределах объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.
1. Оптический элемент (1), включающий в себя:
светопередающий световод (2), имеющий входной конец (2а), выходной конец (2b) и центральную область (2с) между ними, причем световод продолжается вдоль осевого направления;
световую головку (3), включающую в себя по меньшей мере один светодиод (LED), причем световая головка расположена прилегающей к входному концу для подачи света в центральную область; и
отражатель (4), расположенный прилегающим к выходному концу и расположенный так, что по меньшей мере часть света, падающего на отражатель, отражается;
при этом:
световод расположен так, что его коэффициент преломления является большим, чем коэффициент преломления внешней среды световода;
по меньшей мере часть внутренней поверхности границы световода включает в себя призматическую поверхность (5), содержащую множество призм (5а, 5b, 5с), расположенных последовательно вдоль осевого направления, причем каждая призма расположена под углом к осевому направлению; и
по меньшей мере одна из призм выполнена с возможностью отражения света, принимаемого непосредственно от световой головки, главным образом в направлении, которое не параллельно по отношению к направлению, в котором по меньшей мере одна другая призма из множества призм главным образом отражает другой свет, принимаемый непосредственно от световой головки.
2. Оптический элемент по п. 1, в котором протяженность в осевом направлении по меньшей мере одной из призм отличается от протяженности в осевом направлении других призм.
3. Оптический элемент по п. 1, в котором по меньшей мере одна из призм расположена под углом к осевому направлению, который отличается от угла к осевому направлению других призм.
4. Оптический элемент по п. 1, в котором протяженность в осевом направлении каждой призмы отличается от протяженности в осевом направлении других призм.
5. Оптический элемент по п. 1, в котором угол по отношению к осевому направлению каждой призмы отличается от угла по отношению к осевому направлению других призм.
6. Оптический элемент по п. 1, в котором отражатель содержит отражающую поверхность (4а), обращенную к выходному концу и покрывающую по меньшей мере часть выходного конца, в котором отражающая поверхность расположена так, что по меньшей мере часть отражающей поверхности является либо вогнутой, либо выпуклой.
7. Оптический элемент по п. 6, в котором по меньшей мере одна отражающая грань (4b) расположена на отражающей поверхности так, что по меньшей мере часть света, падающего на грань, отражается.
8. Оптический элемент по п. 1, в котором отражатель содержит по меньшей мере одну пропускающую часть (6), расположенную так, что по меньшей мере часть света, падающего по меньшей мере на одну пропускающую часть, пропускается через отражатель.
9. Оптический элемент по п. 8, в котором пропускающая часть содержит сквозное отверстие, продолжающееся вдоль оси, совпадающей или параллельной осевому направлению световода.
10. Оптический элемент по п. 1, в котором световод содержит смешивающий цвета стержень, продолжающийся вдоль осевого направления, и в котором смешивающий цвета стержень содержит по меньшей мере часть центральной области, причем смешивающий цвета стержень имеет шестиугольное поперечное сечение и выполнен с возможностью смешения света от множества источников света световой головки.
11. Оптический элемент по п. 1, в котором отражатель содержит одно или более из следующего:
металлическое покрытие;
интерференционный фильтр;
рассеивающее покрытие; и
люминофорное покрытие.
12. Оптический элемент по п. 1, в котором световод содержит материал, выбранный из группы прозрачных полимеров, полимерных компаундов, стекла, поликарбоната, полиметилметакрилата, акриловой смолы, пластмассы или их сочетаний.
13. Источник (7) света, включающий в себя оптический элемент согласно любому одному из пп. 1-12, выполненный с возможностью переоснащения светильника, использующего источник (1) света с нитью накаливания.
14. Источник света по п. 13, дополнительно включающий в себя одну прозрачную оболочку (8), по меньшей мере частично окружающую оптический элемент.
15. Источник света по п. 13, дополнительно включающий в себя основание (4), на котором располагается световая головка, причем основание включает в себя электрический соединитель (10), выполненный с возможностью соединения с розеточным соединителем светильника, использующего источник света с нитью накаливания, причем основание дополнительно включает в себя электросхему, соединенную с электрическим соединителем, в котором электросхема выполнена с возможностью принимать электропитание от электрического соединителя и посредством электроэнергии управлять световой головкой.
