Оптическая система для коллимации света
Изобретение относится к области светотехники и касается оптической системы для коллимации света. Оптическая система включает в себя тело и выемку, сформированную на первой стороне тела. Выемка имеет центральную и боковую поверхности ввода света и центральную поверхность выхода света, предусмотренную на второй стороне тела, противоположной первой стороне. Центральная поверхность ввода света расположена относительно центральной поверхности выхода света таким образом, что свет, падающий на центральную поверхность ввода света, направляется к центральной поверхности выхода света. На боковой поверхности тела предусмотрена поверхность полного внутреннего отражения, расположенная таким образом, что поступающий свет, падающий на боковую поверхность ввода света, принадлежащую выемке, направляется к поверхности полного внутреннего отражения и отражается ко второй стороне тела. Кроме того, оптическая система включает в себя зону подавления, окружающую центральную поверхность ввода света. Конфигурация зоны подавления обеспечивает предотвращение выхода попадающего в зону подавления света из тела через вторую сторону. Технический результат заключается в уменьшении неравномерности испускаемого света. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к оптической системе для коллимации света от источника света.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В осветительных устройствах зачастую желательно использовать оптическую систему, которая управляет направлением света, излучаемого из источника света. Одной такой оптической системой, которую часто используют, является коллиматор, находящий применение в полном внутреннем отражении (ПВО), - так называемый коллиматор на основе эффекта ПВО.
На фиг. 1 изображен известный коллиматор 1 на основе эффекта ПВО, который выполнен в виде тела 2 линзы и в котором используется полное внутреннее отражение. Как видно на фиг. 1, протяженный источник 4 света создает очень широкие углы конуса для лучей 7 света, проходящих через центральный участок 6 тела 2 линзы, а в большинстве областей лучи 8 света, которые наталкиваются на поверхность 5 ПВО, создают довольно узкие углы конуса. Поэтому проблема, связанная с известным коллиматором 1 на основе эффекта ПВО согласно фиг. 1, заключается в том, что углы конуса излучения разных участков поверхности вывода света весьма неодинаковы. Поэтому, если посмотреть в обратном направлении – в коллиматор на основе эффекта ПВО, - то в определенном диапазоне углов отклонения от оси свет будет испускаться к наблюдателю не с поверхности ПВО, а лишь с центрального участка; следовательно, при взгляде на осветительное устройство, содержащее коллиматор 1 на основе эффекта ПВО, будет видно яркое пятно.
Поэтому для света, проходящего через центральный коллимирующий участок 6 тела 2 линзы коллиматора 1 на основе эффекта ПВО, угол конуса испускания света из коллиматора 1 на основе эффекта ПВО в типичном случае значительно больше, чем для света, подвергающегося полному внутреннему отражению на поверхности 5 ПВО. Это означает, что под углом отклонения от главной оси, вдоль которой свет направляется из коллиматора на основе эффекта ПВО, будет ясно видно различие в яркости между светом, испускаемым из центрального коллимирующего участка 6, и светом, подвергающимся полному внутреннему отражению. Следовательно, испускаемый свет наблюдается под таким углом отклонения от оси, при котором яркое пятно оказывается в более темной зоне. Для точечных ламп, в которых используются несколько источников света и матрица коллиматоров на основе эффекта ПВО, испускаемый свет будет восприниматься как очень «пятнистый», при этом отдельные источники света будут ясно различаться как яркие пятна с окружающими темными зонами.
Соответственно, существует потребность в улучшении освещения светом из коллиматора на основе эффекта ПВО таким образом, что вышеупомянутое «пятнистое» поведение минимизируется.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично преодолеть вышеупомянутые проблемы и обеспечить освещение из оптической системы, которое минимизирует вышеупомянутое «пятнистое» поведение.
В частности, в соответствии с первым аспектом изобретения, предложена оптическая система для коллимации поступающего света. Оптическая система содержит тело; выемку, сформированную на первой стороне тела, причем выемка имеет центральную поверхность ввода света и боковую поверхность ввода света; центральную поверхность выхода света, предусмотренную на второй стороне тела, которая противоположна упомянутой первой стороне, при этом упомянутая центральная поверхность ввода света расположена относительно центральной поверхности выхода света таким образом, что поступающий свет, падающий на центральную поверхность ввода света, направляется к центральной поверхности выхода света; поверхность полного внутреннего отражения, которая предусмотрена на боковой поверхности тела и расположена таким образом, что поступающий свет, падающий на боковую поверхность ввода света, принадлежащую выемке, направляется к поверхности полного внутреннего отражения, подвергаясь полному внутреннему отражению ко второй стороне тела; и зону подавления, окружающую упомянутую центральную поверхность ввода света, причем конфигурация упомянутой зоны подавления обеспечивает предотвращение выхода поступающего света из упомянутого тела через упомянутую вторую сторону.
В соответствии с изобретением, поступающий свет, попадающий в оптическую систему в зоне подавления, не сможет оказаться испускаемым через светоизлучающую сторону тела оптической системы. Оптическую систему можно спроектировать так, что управление светом, попадающим на центральную поверхность ввода света, будет обуславливать его испускание из оптической системы с желаемыми свойствами. Поскольку центральная поверхность ввода света окружена зоной подавления, разработку оптической системы для обеспечения желаемых свойств можно осуществить без воздействий на внешнюю часть пучка поступающего света, которые негативно влияют на достигаемый результат проектирования.
В частности, оптическая система позволяет направлять поступающий свет в оптическую систему через центральную поверхность ввода света и испускать с центральной поверхности выхода света с узким углом испускания. Следовательно, оптическая система позволяет сформировать линзу ПВО таким образом, что из линзы ПВО будет выдаваться хорошо коллимированный пучок и можно будет исключить любые яркие пятна, источником которых является центральная часть оптической системы.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, зона подавления содержит светоотклоняющий участок, причем светоотклоняющий участок расположен таким образом, что поступающий свет, попадающий на светоотклоняющий участок, направляется ко второй стороне под углом, который больше, чем критический угол полного отражения. Это означает, что светоотклоняющий участок управляет поступающим светом таким образом, что выход из тела через вторую сторону предотвращается благодаря полному внутреннему отражению, происходящему на второй боковой поверхности. Поэтому центральная поверхность ввода света окружена участком, который управляет поступающим светом таким образом, что свет не выходит из тела через вторую сторону. Это гарантирует, что оптическую систему можно спроектировать такой, что управление светом, попадающим на центральную поверхность ввода света, вызывает его испускание из оптической системы с желаемыми свойствами.
В соответствии с вариантом осуществления, светоотклоняющий участок содержит впадину, простирающуюся от выемки в тело. Впадина может быть расположена, оказываясь проходящей, по существу, вдоль пути поступающего света. Это означает, что свет будет наталкиваться на поверхность впадины под острым углом и что поступающий свет будет отклоняться под большим углом от центральной поверхности ввода света. Это способствует тому, что свет будет направляться ко второй стороне под углом, который больше, чем критический угол полного отражения.
Впадину можно расположить так, что она будет окружать центральную поверхность ввода света. Это означает, что внешняя часть пучка поступающего света будет попадать во впадину и поэтому будет отражена таким образом, что не выйдет со второй стороны тела. Следовательно, из света, попадающего на центральную поверхность ввода света, можно сформировать хорошо коллимированный пучок света, выходящий с этой поверхности.
Впадина может содержать вогнутую поверхность. Это означает, что поступающий свет, попадающий во впадину, гарантировано натолкнется на поверхности впадины под острым углом, что способствует направлению света ко второй стороне под углом, который больше, чем критический угол полного отражения.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления, светоотклоняющий участок содержит участок боковой стенки выемки. Это означает, что участок боковой стенки выемки, окружающий центральную поверхность ввода света, выполнен с возможностью отклонения поступающего света, наталкивающегося на участок боковой стенки, таким образом, что свет будет направляться, наталкиваясь на вторую сторону под углом, который больше, чем критический угол полного отражения. В этом варианте осуществления, выемка может быть выполнена с возможностью прохождения дальше в тело. Это означает, что центральная поверхность ввода света может быть выполнена с возможностью приема света, имеющего конус с малым углом, поскольку центральная поверхность ввода света может быть расположена на некотором расстоянии от источника света. Поэтому можно выполнить оптическую систему с возможностью испускания хорошо коллимированного пучка с поверхности выхода света, поскольку поступающий свет, попадающий на центральную поверхность ввода света, имеет конус с меньшим углом. Кроме того, участок боковой стенки выемки может быть выполнен простирающимся в направлении, образующем малый угол с оптической осью поступающего света. Это означает, что поступающий свет может наталкиваться на участок боковой стенки под острым углом, так что этот свет будет отклоняться под большим углом от центральной поверхности ввода света, что способствует направлению света ко второй стороне под углом, который больше, чем критический угол полного отражения.
В варианте осуществления, центральная поверхность выхода света может быть плоской. Это может оказаться особенно удобным, когда выемка простирается далеко в тело, так что поступающий свет попадает на центральную поверхность ввода света, создавая конус с малым углом. Поступающий свет, имеющий конус с узким углом, может способствовать испусканию хорошо коллимированного пучка через центральную поверхность выхода света.
В еще одном варианте осуществления, центральная поверхность выхода света может быть выпуклой. Выпуклая центральная поверхность выхода света может функционировать, формируя свет, попадающий на центральную поверхность ввода света, который будет испускаться с центральной поверхности выхода света с узким углом испускания. Следовательно, посредством обеспечения выпуклой центральной поверхности выхода света создается возможность испускания хорошо коллимированного пучка из тела.
В соответствии с вариантом осуществления, зона подавления может содержать слой материала, который поглощает, рассеивает или зеркально отражает поступающий свет, причем этот слой расположен на поверхности, окружающей центральную поверхность ввода света. Таким образом, слой материала может предотвратить выход поступающего света, падающего на поглощающий, рассеивающий или зеркально отражающий материал, из тела через вторую сторону. Поступающий свет можно поглощать, чтобы прекратить распространение света в тело, а значит – предотвратить и выход света, падающего на этот материал, из тела через вторую сторону. В качестве дополнения к поглощению поступающего света или альтернативы ему, слой материала может быть диффузионно-рассеивающим. Поэтому оказывается возможным обратное рассеивание части света, когда он наталкивается на частицы в материале, а при надлежащей толщине слоя предотвращается попадание поступающего света в тело через этот слой материала. В качестве дополнения к поглощению либо рассеиванию поступающего света и/или альтернативы им, слой материала может быть зеркально отражающим поступающий свет таким образом, что поступающий свет будет отражаться от поверхности слоя и не сможет попасть в тело через слой материала.
В соответствии с вариантом осуществления, центральная поверхность ввода света и поверхность выхода света расположены друг относительно друга так, что образуют интегрирующие линзы Келера. Такая компоновка способствует тому, что оптическая система может обеспечить освещение, на которое любые аномалии, обуславливаемые неоднородностями яркости цвета источника света, оказывают негативное влияние в ограниченной степени.
В соответствии с вариантом осуществления, тело содержит множество выемок, каждая из которых имеет центральную поверхность ввода света, предназначенную для приема поступающего света, и множество зон подавления, каждая из которых расположена так, что окружает центральную поверхность ввода света. Это означает, что тело может быть предусмотрено в виде одиночного блока, который может вмещать множество источников света. Следовательно, если для обеспечения освещения из оптической системы желательно множество источников света, поверх всех источников света из множества можно расположить одиночное тело.
В соответствии со вторым аспектом изобретения, предложено осветительное устройство. Осветительное устройство содержит оптическую систему согласно первому аспекту изобретения и источник света, расположенный близко к выемке оптической системы. Это позволяет воплотить оптическую систему в приложениях, связанных с освещением.
В соответствии с вариантом осуществления, осветительное устройство может содержать отражающий кожух, который расположен вокруг боковой поверхности и первой стороны тела оптической системы. Это означает, что свет, испускание которого возможно из тела в обратном направлении, за счет рассеивания или отражения из зоны подавления или за счет ПВО от второй стороны может быть отражен кожухом обратно в тело и может также вносить вклад в свет, выдаваемый из оптической системы, по существу, без коллимации. Вследствие этого можно достичь большей экономии света.
Отметим, что изобретение относится ко всем возможным совокупностям признаков, приведенных в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь этот и другие аспекты данного изобретения будут описаны подробнее со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие вариант (варианты) осуществления изобретения. Как изображено на чертежах, размеры слоев и областей могут быть намеренно преувеличены в целях иллюстрации и поэтому их назначением является иллюстрация общих структур согласно вариантам осуществления данного изобретения. Одинаковые позиции везде обозначают одинаковые элементы.
На фиг. 1 изображена известная оптическая система, имеющая линзу, использующую полное внутреннее отражение и демонстрирующую проблему больших углов конуса при испускании с центрального участка оптической системы.
На фиг. 2 изображена оптическая система, имеющая линзу, использующую полное внутреннее отражение и демонстрирующую ограничения, накладываемые согласно проектированию такой оптической системы.
На фиг. 3 изображена оптическая система в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 4 изображена оптическая система в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 5 изображена оптическая система в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 6 изображена конкретная разновидность оптической системы в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 7 изображено осветительное устройство, где используется оптическая система в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Теперь данное изобретение будет подробнее описано далее со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения. Вместе с тем, это изобретение может быть воплощено во многих других формах, и его не следует считать ограничиваемым теми вариантами осуществления, которые здесь излагаются; наоборот, эти варианты осуществления приводятся для тщательности и полноты описания и полностью передают объем притязаний изобретения для специалиста.
На фиг. 2 показано сечение оптической системы 100 для коллимации поступающего света. Оптическая система 100 содержит тело 102, которое сформировано из материала, допускающего распространение через него света. В типичном случае, тело 102 может быть сформировано из пластически деформируемого материала, такого, как поликарбонат (ПК) или любой другой пластически деформируемый материал, который может быть удобным для оптических приложений. Можно также предусмотреть другие материалы, такие как стекло.
Тело 102 содержит первую сторону 104, которая должна быть обращена к источнику 106 света, обеспечивающему поступающий свет. Тело 102 также содержит вторую сторону 108, которая противоположна первой стороне 104. Тело 102 предназначено для приема поступающего света через первую сторону 104 тела 102 и испускания света через вторую сторону 108 тела 102.
Тело 102 содержит выемку 110, сформированную на первой стороне 104 тела 102. Выемка 110 имеет боковые стенки 112, простирающиеся в тело 102. Кроме того, на дне выемки 110 сформирована центральная поверхность 114 дна выемки 110. Выемка 110 может иметь осесимметричную форму боковых стенок 112, так что боковые стенки 112 будут оказывать на поступающий свет одинаковое влияние по всей окружности выемки 110. Например, выемке 110 можно придать круглую цилиндрическую форму или форму усеченного конуса, имеющую круглое цилиндрическое поперечное сечение.
Тело 102 должно быть расположено относительно источника 106 света таким образом, что выемка 110 окажется над источником 106 света. Поэтому свет, испускаемый из источника 106 света, может образовывать поступающий свет, попадающий в тело 102 через выемку 110. В этой связи отметим, что боковые стенки 112 выемки 110 могут образовывать боковую поверхность 112 ввода света выемки 110, а поверхность 114 дна может образовывать центральную поверхность 114 ввода света выемки 110.
Выемка 110 может быть достаточно большой, чтобы вместить распределенный источник 106 света, который может испускать свет по расширенной зоне. Однако оптическая система 100 может с таким же успехом функционировать и в случае точечного источника света.
Поступающий свет, проходящий через центральную поверхность 114 ввода света в тело 102, будет направляться так, что распространится через тело к участку второй стороны 108, который образует центральную поверхность 118 выхода света. Центральная поверхность 114 ввода света и центральная поверхность 118 выхода света вместе образуют центральную коллимирующую линзу оптической системы 100. Центральная коллимирующая линза оптической системы 100 взаимодействует с поступающим светом, образуя испускаемый пучок света, имеющий узкий угол испускания.
Чтобы сформировать центральную коллимирующую линзу, можно предусмотреть разные комбинации криволинейных поверхностей - центральной поверхности 114 ввода света и центральной поверхности 118 выхода света. Например, центральная поверхность 114 ввода света может быть выпуклой, а центральная поверхность 118 выхода света может также быть выпуклой или плоской. В альтернативном варианте, центральная поверхность 114 ввода света может быть плоской, а центральная поверхность 118 выхода света может быть выпуклой. К тому же, в определенных вариантах осуществления центральная поверхность 114 ввода света может даже быть вогнутой, а центральная поверхность 118 выхода света может быть выпуклой.
Центральная поверхность 114 ввода света и центральная поверхность 118 выхода света могут быть, по существу, параллельными друг другу. Это означает, что на поступающий свет, попадающий на центральную поверхность 114 ввода света, может оказывать влияние кривизна центральной поверхности 114 ввода света и центральной поверхности 118 выхода света, а благодаря расположению центральной поверхности 114 ввода света и центральной поверхности 118 выхода света под углом друг относительно друга отклонение главного направления распространения света не должно происходить вообще или должно быть минимальным.
Тело 102 дополнительно содержит боковую поверхность 116. Боковая поверхность 116 может простираться от первой стороны 102 до второй стороны 108. Боковая поверхность 116 расположена так, чтобы свет, попадающий на тело 102 через боковую поверхность 112 ввода света, мог подвергнуться полному внутреннему отражению (ПВО) на боковой поверхности 116. Это означает, что свет будет падать на боковую поверхность 116 под таким большим углом, что этот свет должен будет отражаться к границе раздела между боковой поверхностью 116 и средой, окружающей тело 102, под углом, который больше 90°, т.е. свет не сможет выйти из тела 102 через боковую поверхность 116, а вместо этого полностью отразится. Чтобы произошло ПВО, необходимо, чтобы показатель преломления тела 102 был больше, чем показатель преломления окружающей среды, вследствие чего свет, падающий на поверхность раздела в теле 102 под некоторым углом падения относительно нормали к этой поверхности раздела, будет преломляться под углом выхода, который больше, чем угол падения. Тогда будет происходить ПВО света, падающего на поверхность раздела под углом, который больше некоторого критического угла, при котором свет отражается точно под углом 90° к нормали к поверхности раздела. Следовательно, боковая поверхность 116 образует поверхность 116 ПВО. Тело 102 может быть снабжено покрытием снаружи поверхности 116, чтобы улучшить отражение на поверхности, где ПВО в противном случае не происходило бы.
Свет, отражаемый на поверхности 116 ПВО, будет направляться за счет этого отражения к периферийной поверхности 117 выхода света, принадлежащей второй стороне 108. Поверхность 116 ПВО может быть расположена относительно периферийной поверхности 117 выхода света таким образом, что свет, подвергающийся ПВО на поверхности 116 ПВО, будет испускаться через вторую сторону 108, образуя в основном параллельные лучи света, вследствие чего свет, подвергающийся ПВО, будет образовывать хорошо коллимированный пучок. Этого можно достичь посредством отражения на поверхности 116 ПВО, отражающей свет с получением хорошо коллимированного пучка после отражения. Затем свет направляется, падая на периферийную поверхность 117 выхода света вдоль нормали ко второй стороне 108 или, по меньшей мере, образуя малый угол к нормали. Это означает, что свет не будет отклоняться вовсе или будет, но лишь в малой степени, проходя через вторую сторону 108, чтобы поддержать хорошо коллимированный пучок при испускании из тела 102. Вместе с тем, можно также быть предусмотреть криволинейную, например – вогнутую, вторую сторону 108, чтобы отражение света от поверхности 116 ПВО происходило с коллимацией света при испускании его из тела 102.
Как описано выше, оптическая система 100 выполнена с возможностью взаимодействия с поступающим светом двумя способами для формирования пучка испускаемого света. Часть поступающего света проходит через центральную коллимирующую линзу оптической системы 100, а часть поступающего света подвергается ПВО на поверхности 116 ПВО, чтобы внести вклад в пучок испускаемого света оптической системы 100. Свет, испускаемый из тела 102, испускается через вторую сторону 108, которая содержит центральную поверхность 118 выхода света, адаптированную к действию в качестве части центральной коллимирующей линзы, и периферийную поверхность 117 выхода света, адаптированную к выдаче коллимированного света с поверхности 116 ПВО. То есть, вторая сторона 108 содержит два разных участка, адаптированные к действию в качестве части центральной коллимирующей линзы и к выдаче коллимированного света с поверхности 116 ПВО. Вместе с тем, если луч света, который подвергся ПВО, выходит со второй стороны 108 через центральную поверхность 118 выхода света, возможно отклонение такого луча нежелательным образом. Такие эффекты могут вызывать испускание части света со второй стороны 108 в широком угле. Поэтому размер центральной поверхности 118 выхода света можно ограничить, чтобы предотвратить прохождение света, который подвергся ПВО, через центральную поверхность 118 выхода света. С другой стороны, это означает, что свет, попадающий в тело 102 через центральную поверхность 114 ввода света, может выходить через вторую сторону 108 наружу с центральной поверхности 118 выхода света, а вместо этого - через периферийную поверхность 117 выхода света, см. луч 13 на фиг. 2. Следовательно, если луч света, который предположительно прошел через центральную коллимирующую линзу, выходит со второй стороны 108 через периферийную поверхность 117 выхода света, то такой луч может отражаться нежелательным образом.
Поэтому изобретению предшествовала догадка о существовании конфликта между управлением светом, испускаемым, попадая в тело 102 через центральную поверхность 114 ввода света, и управлением светом, который подвергается полному внутреннему отражению посредством боковой поверхности 116 тела 102. Как схематически изображено на фиг. 2, центральная поверхность 118 выхода света может быть выпуклой и большей, чем поверхность 114, так что сможет образовывать угол узкого конуса испускаемого света, как показано лучами 11 на фиг. 1. Вместе с тем, размер такой большой выпуклой центральной поверхности 118 выхода света нужно ограничить посредством ее соотношения с поверхностью 116 полного внутреннего отражения, поскольку свет, подвергшийся полному внутреннему отражению, не должен выходить из тела 102 через центральную поверхность 118 выхода света, так как она может направлять свет в сторону от главной оси, вдоль которой направляется коллимированный свет из оптической системы. Как изображено посредством луча 12, свет, который испускается с нижнего края поверхности 116 полного внутреннего отражения, в таком случае ограничивает размер центральной поверхности 118 выхода света. С другой стороны, это ограничение размера приведет к тому, что внешние части пучка света, который попадает на центральную поверхность 114 ввода света, станут направляться так, что натолкнутся на вторую сторону 108 тела 102 снаружи центральной поверхности 118 выхода света, как изображено посредством луча 13. Следовательно, этот свет будет преломляться, отходя в сторону от главной оси, в результате чего свет будет испускаться из оптической системы в широком угле.
Поэтому, как изображено на фиг. 3-7, где показаны разные варианты осуществления данного изобретения, оптическая система 100 снабжена зоной 120 подавления, которая расположена, окружая центральную поверхность 114 ввода света. Зона 120 подавления выполнена с возможностью предотвращения падения поступающего света на зону 120 подавления, чтобы он выходил из тела 102 через вторую сторону 108. Следовательно, зона 120 подавления может при любых обстоятельствах предотвращать выход света, который в противном случае отклонялся бы нежелательным образом на второй стороне 108, из тела 102 через вторую сторону 108. Это означает, что можно спроектировать оптическую систему 100 действующей на поступающий свет, обеспечивая пучок хорошо коллимированного света, вносящий вклад как в свет, проходящий через центральную коллимирующую линзу, так и в свет, подвергающийся ПВО на поверхности 116 ПВО. Этой конструкции можно достичь, пока зона 120 подавления предотвращает попадание поступающего света в тело 102 через центральную поверхность 114 ввода света и выход его из тела 102 через вторую сторону 108 снаружи центральной поверхности 118 выхода света. Кроме того, поступающий свет, попадающий в тело 102 через боковую поверхность 112 ввода света и подвергающийся ПВО на поверхности 116 ПВО, не будет выходить из тела 102 через центральную поверхность 118 выхода света. Поэтому - на основе вышеупомянутой догадки - оптическая система 100 в соответствии с изобретением снабжена зоной 120 подавления, чтобы предотвратить испускание лучей, идущих из источника 106 света, из оптической системы 100 в широком угле. Поэтому зона 120 подавления способствует проектированию оптической системы 100, выдающей пучок света, который испускается из оптической системы 100 с узким углом испускания.
Вместе с тем, зона 120 подавления не обязательно должна полностью охватывать центральную поверхность 114 ввода света, чтобы оптическая система 100 обеспечивала желаемое испускание света из тела 102. Например, зона 120 подавления может быть прерывистой вокруг центральной поверхности 114 ввода света, так что возможны участки, не предотвращающие попадание поступающего света в тело 102 через центральную поверхность 114 ввода света и выход его из тела 102 через вторую сторону 108 снаружи центральной поверхности 118 выхода света. Поэтому в зоне 120 подавления возможны несколько малых отверстий, а если эти отверстия достаточно малы, то их влияние на испускаемый свет может быть настолько незначительным, что пользователь едва ли заметит его. Иными словами, зона 120 подавления может обеспечить желаемую функцию на достаточно большом участке вокруг центральной поверхности 114 ввода света для обеспечения желаемого, четко выраженного влияния на оптическую систему 100.
В контексте данной заявки также следует отметить, что – вследствие вышеизложенного - зону 120 подавления надо считать «окружающей» центральную поверхность 114 ввода света, даже если зона 120 подавления не обязательно полностью охватывает центральную поверхность 114 ввода света.
В соответствии с первым вариантом осуществления, изображенным на фиг. 3, зона 120 подавления может содержать слой 122 материала, который взаимодействует с поступающим светом. Материал может быть подобран с возможностью поглощения поступающего света таким образом, что свет окажется неспособным пройти сквозь слой 122. В альтернативном или дополнительном варианте, материал может обеспечивать возможность рассеивания поступающего света. Поэтому становится возможным диффузионное рассеивание света слоем 122 материала. Материал может быть выполнен с возможностью рассеивания света главным образом в обратном направлении. Это означает, что слой 122 материала может быть достаточно толстым, чтобы свет оказался неспособным пройти сквозь слой 122. В качестве дополнительной альтернативы, слой 122 может быть выполнен с возможностью зеркального отражения света в обратном направлении.
Слой 122 материала может быть нанесен на дно выемки 110 вблизи боковой стенки 112. Выемка 110 может иметь переходный участок между боковой стенкой 112 и дном выемки 110, который может быть наклонен относительно дна. Переходный участок также может быть криволинейным, не образуя острые кромки в выемке 110. Тогда слой 122 материала можно нанести на такой переходный участок. Слою 122 материала можно придать форму кольца вокруг центральной поверхности 114 ввода света.
Благодаря поглощению, рассеиванию или зеркальному отражению света в слое 122, предотвращается попадание поступающего света в тело 102 через центральную поверхность 114 ввода света и выход его из тела 102 через вторую сторону 108 снаружи центральной поверхности 118 выхода света. Как показано посредством луча 21, свет, падающий на краю центральной поверхности 114 ввода света на слой 122, может быть отклонен посредством центральной поверхности 114 ввода света к краю центральной поверхности 118 выхода света. Попадание луча 22, падающего на слой 122 материала, в тело 102 будет предотвращено.
В соответствии со вторым вариантом осуществления, изображенным на фиг. 4, зона 120 подавления может содержать участки 124 боковых стенок выемки 110 у дна выемки 110. Эти участки 124 боковых стенок могут образовывать светоотклоняющий участок. Поступающий свет, падающий на участок 124 боковой стенки, может быть отклонен к периферийной поверхности 117 выхода света второй стороны 108 тела 102. Вместе с тем, свет отклоняется, падая на периферийную поверхность 117 выхода света под углом, который больше, чем критический угол ПВО периферийной поверхности 117 выхода света. Это означает, что свет подвергнется полному внутреннему отражению в периферийной поверхности 117 выхода света и не сможет выйти из тела 102 через вторую сторону 108.
Участок 124 боковой стенки выемки 110 может быть выполнен простирающимся в направлении, образующем малый угол с оптической осью поступающего света. Это означает, что поступающий свет может наталкиваться на участок 124 боковой стенки под острым углом, так что произойдет отклонение света под большим углом от центральной поверхности 114 ввода света, а это будет способствовать направлению света к периферийной поверхности 117 выхода света второй стороны 108 под углом, который больше, чем критический угол полного отражения. Участок 124 боковой стенки может быть продолжением боковой поверхности 112 ввода света выемки 110. Участок 124 боковой стенки может также образовывать угол с боковой поверхностью 112 ввода света, так что углы, под которыми свет падает на участок 124 боковой стенки и боковую поверхность 112 ввода света, соответственно, можно по отдельности адаптировать к желаемому воздействию на поступающий свет.
Использование участков 124 боковых стенок может способствовать, в частности, выполнению выемки 110 с возможностью прохождения далеко в тело 102. Это означает, что центральная поверхность 114 ввода света может быть выполнена с возможностью приема света, имеющего конус с малым углом, поскольку центральная поверхность 114 ввода света может быть расположена на некотором расстоянии от источника 106 света. Поэтому можно выполнить оптическую систему 100 так, что она окажется способной излучать хорошо коллимированный пучок из центральной поверхности 118 выхода света, поскольку поступающий свет, попадающий на центральную поверхность 114 ввода света, имеет конус с малым углом.
Поскольку можно обеспечить поступающий свет, имеющий конус с малым углом, центральная поверхность 118 выхода света может и не быть выпуклой, чтобы испускать хорошо коллимированный свет. Следовательно, в случае использования участков 124 боковых стенок и выемки 110, простирающейся далеко в тело 102, может принести конкретную выгоду наличие плоской центральной поверхности 118 выхода света. Таким образом, центральная поверхность 118 выхода света может составлять участок второй стороны 108 тела 102, при этом вторая сторона 108 представляет собой совершенно плоскую поверхность. В любом случае, центральная поверхность 118 выхода света может представлять собой различимый участок второй стороны 108, поскольку свет, попадающий в тело 102 через центральную поверхность 114 ввода света, будет выходить из тела 102 только через центральную поверхность 118 выхода света, тогда как свет, попадающий в тело 102 через боковую поверхность 112 ввода света, будет выходить из тела 102 только через периферийную поверхность 117 выхода света второй стороны 108. Периферийная поверхности 117 выхода света расположена снаружи центральная поверхность 118 выхода света.
Благодаря участку 124 боковой стенки, предотвращается попадание поступающего света в тело 102 через центральную поверхность 114 ввода света и выход его из тела 102 через периферийную поверхность 117 выхода света. Как проиллюстрировано посредством луча 31, свет, падающий на участок 124 боковой стенки, может быть отклонен, оказываясь падающим на периферийную поверхность 117 выхода света под углом, который больше угла ПВО. Таким образом, луч 31 света может отражаться на периферийной поверхности 117 выхода света и может выходить из тела в обратном направлении через поверхность 116 ПВО.
В соответствии с третьим вариантом осуществления, изображенным на фиг. 5, зона 120 подавления может содержать впадину 126, проходящую в тело 102, вокруг центральной поверхности 114 ввода света на дне выемки 110. Впадина 126 может образовывать светоотклоняющий участок. Поступающий свет, попадающий во впадину 126, может быть отклонен на поверхности впадины к периферийной поверхности 117 выхода света второй стороны 108 тела 102. Вместе с тем, свет отклоняется, падая на периферийную поверхность 117 выхода света под углом, который больше критического угла ПВО периферийной поверхности 117 выхода света. Это означает, что свет подвергнется полному внутреннему отражению на периферийной поверхности 117 выхода света и окажется не в состоянии выйти из тела 102 через вторую сторону 108.
Впадина 126 может содержать вогнутые поверхности. Это означает, что поступающий свет, попадающий во впадину 126, гарантировано будет падать на поверхности впадины 126 под острым углом. Поэтому свет отклоняется под большим углом от центральной поверхности 114 ввода света, что способствует направлению света к периферийной поверхности 117 выхода света под углом, который больше, чем критический угол полного отражения.
Благодаря впадине 126, предотвращается попадание поступающего света в тело 102 через центральную поверхность 114 ввода света и выход его из тела 102 через периферийную поверхность 117 выхода света. Как иллюстрируется посредством луча 41, свет, падающий на внутреннюю поверхность впадины 126 ближе к центральной поверхности 114 ввода света, может быть отклонен, падая на периферийную поверхность 117 выхода света под углом, который больше критического угла ПВО. Кроме того, как иллюстрируется посредством луча 42, свет, падающий на внешнюю поверхность 126 впадины дальше от центральной поверхности 114 ввода света, может быть отклонен, падая на периферийную поверхность 117 выхода света под углом, который больше критического угла ПВО. Таким образом, возможно отклонение лучей 41 и 42 света на периферийной поверхности 117 выхода света и их выход из тела в обратном направлении через поверхность 116 ПВО.
Как изображено на фиг. 6, центральная коллимирующая линза оптической системы 100 может быть образована выпуклой центральной поверхностью 114 ввода света и выпуклой центральной поверхностью 118 выхода света. Выпуклая центральная поверхность 114 ввода света может быть выполнена с возможностью отображения источника 106 света на центральную поверхность 118 выхода света, как иллюстрируется посредством лучей 51. В свою очередь, центральная поверхность 118 выхода света может образовывать изображение центральной поверхности 114 ввода света в бесконечности, как иллюстрируется посредством лучей 52. При такой компоновке, центральная поверхность 114 ввода света и центральная поверхность 118 выхода света образуют интегрирующие линзы Келера. Эта компоновка не только способствует формированию пучка испускаемого света с узким углом испускания, но и может также функционировать, исключая любые аномалии из неоднородностей яркости и цвета источника 106 света.
На фиг. 7 раскрыта сущность осветительного устройства 200. Осветительное устройство 200 содержит множество источников 106 света, которые могут быть расположены в матрице, создавая равномерное освещение. Источники 106 света могут быть скомпонованы в шестиугольную матрицу, которая моет оказаться выгодной при обеспечении равномерного освещения из осветительного устройства 200, так что при освещении не будет происходить создание темных мест между теми, которые отображают собой вклады разных источников 106 света.
Оптическая система 100 может содержать тело 102, которое содержит множество выемок 110. Поэтому оптическую систему 100 можно сформировать как одиночное унитарное тело 102, которое может быть расположено поверх множества источников 106 света. Таким образом, каждая выемка 110 тела 102 может иметь центральную поверхность 114 ввода света, предназначенную для приема поступающего свет из соответствующего источника 106 света. Кроме того, зона 120 подавления может быть выполнена окружающей центральную поверхность 114 ввода света каждой выемки 110. Можно предусмотреть любые типы зон 120 подавления, описанных выше в первом, втором, и третьем вариантах осуществления.
Вторая сторона 108 тела 102 может быть снабжена множеством центральных поверхностей 118 выхода света, причем каждая центральная поверхность 118 выхода света расположится так, что образует центральную коллимирующую линзу вместе с соответствующей центральной поверхностью 114 ввода света. Центральные коллимирующие линзы можно сформировать в соответствии с любым из вышеописанных вариантов осуществления.
Зона 120 подавления, содержащая светоотклоняющий участок, может действовать, отклоняя поступающий свет на вторую сторону 108 таким образом, что свет будет падать на периферийную поверхность 117 выхода света второй стороны 108 между множеством центральных поверхностей 118 выхода света, сформированных на второй стороне 108. Тогда свет, отклоняемый от светоотклоняющего участка зоны 120 подавления, будет подвергаться полному внутреннему отражению на периферийной поверхности 117 выхода света и будет отклоняться обратно в тело 102.
Тело 102 может дополнительно содержать поверхность 116 ПВО вокруг каждой выемки 110, обеспечивающей полное внутреннее отражение света, попадающего на тело 102 через боковую поверхность 112 ввода света. Поверхности 116 ПВО, связанные с соседними выемками 110, могут быть соединены друг с другом таким образом, что тело 102 окажется выполненным как одиночный блок.
Осветительное устройство 200 может дополнительно содержать зеркально или диффузионно-отражающий кожух 202, которой расположен вокруг боковых поверхностей 116 и первой стороны 104 тела 102 оптической системы 100. Кожух 202 может иметь отверстия для соответствующих источников 106 света, что позволяет выдавать свет из источников света, попадающий в тело 102. В альтернативном варианте, кожух 202 может быть расположен вокруг источников 106 света как стенка, так что источники 106 света окажутся установленными внутри кожуха 202. Отражающий кожух 202 может отражать любой свет, покидающий тело 102 не через вторую сторону 108. Это означает, что свет может быть отклонен обратно в тело 102 и может, в конце концов, покинуть тело 102 через вторую сторону 108, обеспечивая на уровне фона вклад в свет, испускаемый из оптической системы 100.
Как иллюстрируется посредством луча 61 на фиг. 7, свет, отклоняемый впадиной 126, может подвергаться ПВО на периферийной поверхности 117 выхода света и может достигать отражающего кожуха 202, возможно – после взаимодействия с участком тела 102, связанным с еще одним источником 106 света. Тогда возможно отклонение света кожухом 202 обратно в тело 102, что приведет к внесению вклада в свет, испускаемый из тела 102. В этой связи, отметим, что свет, отклоняемый зоной 120 подавления, может вносить вклад во все освещение в целом, обеспечиваемое осветительным устройством 200, и об отклоняемом свете можно говорить как о повторно используемом в осветительном устройстве 200.
В качестве альтернативы, оптическую систему 100 можно снабдить множеством тел 102, каждое из которых связано с соответствующим источником 106 света. Тогда множество тел 102 и источников 106 света можно скомпоновать в матрицу для формирования осветительного устройства 200, которое обеспечивает освещение из множества источников 106 света.
Специалист в данной области техники поймет, что данное изобретение никоим образом не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Наоборот, в рамках объема притязаний прилагаемой формулы изобретения возможны многочисленные модификации и изменения. Например, слой 122 материала, который взаимодействует с поступающим светом, можно использовать совместно со светоотклоняющим участком. Таким образом, слой 122 материала можно предусмотреть, например, на части светоотклоняющего участка, на участке центральной поверхности 114 ввода света, окруженном светоотклоняющим участком, или на переходе между светоотклоняющим участком и боковой поверхностью 112 ввода света.
К тому же, отражающий кожух 202, описанный со ссылками на фиг. 7, можно использовать совместно с одиночным источником 106 света и связанной с ним оптической системой 100.
Кроме того, изучив чертежи, описание и прилагаемую формулу изобретения, специалист в области практического применения заявляемого изобретения сможет понять и внести изменения в описанные варианты осуществления. В формуле изобретения слово «содержащий (-ая, -ее, -ие)» не исключает другие элементы или этапы, а признак единственного числа не исключает множество. Сам факт, что определенные меры приводятся во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что нельзя с преимуществом использовать совокупность этих мер.
1. Оптическая система для коллимации поступающего света, содержащая:
тело (102);
выемку (110), сформированную на первой стороне (104) тела (102), причем выемка (110) имеет центральную поверхность (114) ввода света и боковую поверхность (112) ввода света;
центральную поверхность (118) выхода света, предусмотренную на второй стороне (108) тела, при этом упомянутая центральная поверхность (114) ввода света расположена относительно центральной поверхности (118) выхода света таким образом, что поступающий свет, падающий на центральную поверхность (114) ввода света, направляется к центральной поверхности (118) выхода света;
поверхность (116) полного внутреннего отражения, которая предусмотрена на боковой поверхности тела (102) и расположена таким образом, что поступающий свет, падающий на боковую поверхность (112) ввода света, принадлежащую выемке (110), направляется к поверхности (116) полного внутреннего отражения, подвергаясь полному внутреннему отражению ко второй стороне (108) тела (102); и
зону (120) подавления, окружающую упомянутую центральную поверхность (114) ввода света, причем упомянутая зона (120) подавления выполнена с возможностью предотвращения выхода поступающего света, направляемого так, что он попадает в оптическую систему в зоне подавления, из упомянутого тела (102) через упомянутую вторую сторону (108).
2. Оптическая система по п. 1, в которой зона (120) подавления содержит светоотклоняющий участок (124; 126), причем упомянутый светоотклоняющий участок (124; 126) расположен таким образом, что поступающий свет, попадающий на светоотклоняющий участок (124; 126), направляется ко второй стороне (108) под углом, который больше, чем критический угол полного отражения.
3. Оптическая система по п. 2, в которой светоотклоняющий участок содержит впадину (126), простирающуюся от упомянутой выемки (110) в упомянутое тело (102).
4. Оптическая система по п. 3, в которой впадина (126) содержит вогнутую поверхность.
5. Оптическая система по п. 2, в которой светоотклоняющий участок содержит участок (124) боковой стенки упомянутой выемки (110).
6. Оптическая система по п. 5, в которой центральная поверхность (118) выхода света является плоской.
7. Оптическая система по любому из пп. 1-5, в которой центральная поверхность (118) выхода света является выпуклой.
8. Оптическая система по любому из пп. 1-7, в которой зона (120) подавления содержит слой (122) материала, который поглощает, рассеивает или зеркально отражает поступающий свет, причем упомянутый слой (122) расположен на поверхности, окружающей упомянутую центральную поверхность (114) ввода света.
9. Оптическая система по любому из пп. 1-8, в которой центральная поверхность (114) ввода света и поверхность (118) выхода света расположены друг относительно друга так, что образуют интегрирующие линзы Келера.
10. Оптическая система по любому из пп. 1-9, в которой тело (102) содержит множество выемок (110), каждая из которых имеет центральную поверхность (114) ввода света, предназначенную для приема поступающего света, и множество зон (120) подавления, каждая из которых расположена так, что окружает центральную поверхность (114) ввода света.
11. Осветительное устройство, содержащее оптическую систему по любому из пп. 1-10 и источник (106) света, расположенный близко к выемке (110) оптической системы.
12. Осветительное устройство по п. 11, дополнительно содержащее отражающий кожух (202), которой расположен вокруг боковой поверхности (116) и первой стороны (104) тела (102) оптической системы.
