RU142569U1

RU142569U1 - OPTICAL ELEMENT

Info

Publication number: RU142569U1
Application number: RU2013153795/07U
Authority: RU
Inventors: Валерий Львович Алексеев; Илья Олегович Григорьев
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Светлана - Оптоэлектроника"; Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ"
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-06-27

Abstract

Оптический элемент, выполненный в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего чашеобразную расширяющуюся в направлении снизу вверх форму, содержащий боковые стенки, нижнее основание, предназначенное для ввода световых лучей от источника излучения, а также верхнее основание, имеющее в плоскости поперечного сечения кольцеобразную форму, при этом наружная поверхность боковых стенок оптического элемента является поверхностью, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения для падающих на нее световых лучей, отличающийся тем, что внутренняя поверхность боковых стенок оптического элемента является поверхностью, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения для падающих на нее световых лучей, при этом форма боковых стенок в продольном сечении и их толщина выбраны из условия обеспечения отражения падающих на их наружную и внутреннюю поверхности световых лучей, вводимых в оптический элемент от источника излучения и для отражаемых указанными поверхностями, под углом, соответствующим углу полного внутреннего отражения.An optical element made in the form of an optically transparent three-dimensional body having a cup-shaped shape expanding from bottom to top, containing side walls, a lower base designed to enter light rays from a radiation source, and an upper base having a ring-shaped shape in the plane of the cross section this outer surface of the side walls of the optical element is a surface that provides the effect of total internal reflection for incident light rays, different t m, that the inner surface of the side walls of the optical element is a surface that provides the effect of total internal reflection for light rays incident on it, while the shape of the side walls in longitudinal section and their thickness are selected from the condition of ensuring reflection of light rays incident on their outer and inner surfaces, introduced into the optical element from the radiation source and for reflected by the indicated surfaces, at an angle corresponding to the angle of total internal reflection.

Description

Полезная модель относится к светотехнике, а именно к оптическим элементам, предназначенным для использования в светодиодных лампах, в частности, в светодиодных лампах-ретрофитах со стандартным цоколем Ε14.The utility model relates to lighting engineering, namely to optical elements intended for use in LED lamps, in particular, LED retrofit lamps with a standard base Ε14.

Используемые в светодиодных лампах оптические элементы предназначены для вывода излучения от светодиодного источника и обеспечения требуемого распределения света.The optical elements used in LED lamps are designed to output radiation from the LED source and provide the required light distribution.

Известен оптический элемент [RU 2349988], предназначенный для вывода и распределения излучения от матрицы светодиодов. Рассматриваемый оптический элемент выполнен в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего цилиндрическую форму, на наружной поверхности нижнего торца которого сформирована выемка, предназначенная для размещения в ней светодиодной матрицы, а со стороны верхнего торца выполнено углубление в форме шарового сегмента.Known optical element [RU 2349988], intended for output and distribution of radiation from a matrix of LEDs. The considered optical element is made in the form of an optically transparent volumetric body having a cylindrical shape, on the outer surface of the lower end of which a recess is formed, designed to accommodate the LED matrix, and a recess in the form of a spherical segment is made from the side of the upper end.

С помощью рассматриваемого оптического элемента основная доля светового излучения выводится через его боковую поверхность, при этом обеспечивается получение рассеянного света с широкой диаграммой направленности.Using the optical element in question, the bulk of the light radiation is output through its lateral surface, while providing scattered light with a wide radiation pattern.

Известен оптический элемент [CN 102748706], выбранный в качестве ближайшего аналога.Known optical element [CN 102748706], selected as the closest analogue.

Рассматриваемый оптический элемент выполнен в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего чашеобразную расширяющуюся в направлении снизу вверх форму, и содержит нижнее основание, боковые стенки, а также верхнее основание, имеющее в плоскости поперечного сечения кольцеобразную форму.The considered optical element is made in the form of an optically transparent three-dimensional body having a cup-shaped shape expanding in the direction from the bottom up and contains a lower base, side walls, and also an upper base having an annular shape in the plane of the cross section.

Нижнее основание предназначено для ввода в оптический элемент световых лучей, излучаемых источником света, устанавливаемым под указанным основанием. При этом нижнее основание имеет сложную форму и образует в нижней части внутренней полости оптического элемента выпукло-вогнутую линзу, обращенную выпуклостью вверх.The lower base is intended for input into the optical element of the light rays emitted by the light source installed under the specified base. Moreover, the lower base has a complex shape and forms a convex-concave lens in the lower part of the internal cavity of the optical element, convex upward.

Внутренняя поверхность боковых стенок в продольном сечении имеет ступенчатую форму и образует ряд распределенных по высоте оптического элемента концентрических кольцевых выступов.The inner surface of the side walls in a longitudinal section has a stepped shape and forms a series of concentric annular protrusions distributed along the height of the optical element.

Оптические свойства линзы, сформированной в нижнем основании оптического элемента, и форма наружной поверхности его боковых стенок в продольном сечении выбраны такими, что падающие на указанную поверхность световые лучи отражаются от нее под углом полного внутреннего отражения и излучаются кольцевыми выступами внутренней боковой поверхности.The optical properties of the lens formed in the lower base of the optical element and the shape of the outer surface of its side walls in a longitudinal section are selected such that light rays incident on this surface are reflected from it at an angle of total internal reflection and are emitted by annular protrusions of the inner side surface.

В результате с помощью рассматриваемого оптического элемента обеспечивается получение практически параллельного пучка света с достижением прожекторного эффекта.As a result, with the help of the optical element under consideration, a practically parallel beam of light is obtained with the achievement of the searchlight effect.

Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение возможности получения разнообразных диаграмм направленности светового излучения.The objective of the claimed utility model is to provide the possibility of obtaining a variety of radiation patterns.

Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в оптическом элементе, выполненном в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего чашеобразную расширяющуюся в направлении снизу вверх форму, содержащем боковые стенки, нижнее основание, предназначенное для ввода световых лучей от источника излучения, а также верхнее основание, имеющее в плоскости поперечного сечения кольцеобразную форму, при этом наружная поверхность боковых стенок является поверхностью, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения для падающих на нее световых лучей, согласно полезной модели внутренняя поверхность боковых стенок оптического элемента является поверхностью, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения для падающих на нее световых лучей, при этом форма боковых стенок в продольном сечении и их толщина выбраны из условия обеспечения отражения падающих на их наружную и внутреннюю поверхности световых лучей, вводимых в оптический элемент от источника излучения и для отражаемых указанными поверхностями, под углом, соответствующим углу полного внутреннего отражения.The essence of the claimed utility model lies in the fact that in an optical element made in the form of an optically transparent three-dimensional body having a cup-shaped shape expanding from bottom to top, containing side walls, a lower base designed to enter light rays from the radiation source, and also the upper base having an annular shape in the plane of the cross section, while the outer surface of the side walls is a surface that provides the effect of total internal reflection for falling their light rays, according to a useful model, the inner surface of the side walls of the optical element is a surface that provides the effect of total internal reflection for the light rays incident on it, while the shape of the side walls in longitudinal section and their thickness are selected from the condition of ensuring the reflection of the incident on their outer and the inner surface of the light rays introduced into the optical element from the radiation source and for reflected by the indicated surfaces, at an angle corresponding to the angle of the total internal reflection.

Принципиально важным в заявляемом оптическом элементе является то, что за счет выбора формы профиля боковых стенок из условия полного внутреннего отражения падающих на наружную и внутреннюю поверхности стенок световых лучей основная доля вводимых через нижнее основание в оптический элемент от источника излучения световых лучей отражается от указанных поверхностей и затем распространяется внутри стенок оптического элемента, последовательно переотражаясь на противолежащих поверхностях его стенок, после чего выводится через верхнее кольцеобразное основание оптического элемента - через его верхнюю кромку.It is fundamentally important in the inventive optical element that, due to the choice of the profile shape of the side walls from the condition of total internal reflection of the light rays incident on the outer and inner surfaces of the walls, the bulk of light rays introduced through the lower base into the optical element is reflected from these surfaces and then it spreads inside the walls of the optical element, successively being reflected on the opposite surfaces of its walls, and then displayed through the upper the annular base of the optical element through its upper edge.

Варьируя форму поверхности верхнего основания в продольном сечении (форму профиля верхней кромки), при прочих равных условиях можно в широких пределах варьировать вид диаграммы направленности получаемого с помощью заявляемого оптического элемента светового потока.Varying the shape of the surface of the upper base in a longitudinal section (the shape of the profile of the upper edge), ceteris paribus, it is possible to widely vary the type of radiation pattern obtained using the inventive optical element of the light flux.

Так, в случае, когда верхняя кромка имеет вогнутую форму профиля, обеспечивается получение концентрированного пучка света, предназначенного для создания локального освещения. В случае, когда верхняя кромка выполнена со скосом наружу, обеспечивается получение пучка света с угловым распределением излучения, ширина которого варьируется в значительных пределах в зависимости от конкретной формы верхней кромки.So, in the case when the upper edge has a concave profile shape, a concentrated beam of light is provided for creating local lighting. In the case when the upper edge is made obliquely outward, a beam of light is obtained with an angular distribution of radiation, the width of which varies significantly depending on the specific shape of the upper edge.

То есть заявляемый оптический элемент позволяет получать большое разнообразие диаграмм направленности излучения при незначительных его конструктивных изменениях.That is, the claimed optical element allows to obtain a wide variety of radiation patterns with minor structural changes.

Следует отметить, что кроме формы поверхности верхнего основания оптического элемента на достигаемое с его помощью световое распределение излучения влияет также структура и шероховатость указанной поверхности. Так, при структурированной (не гладкой) поверхности верхнего основания более интенсивно происходит перемешивание излучаемых световых лучей и сглаживание КСС (кривой силы света), а гладкость рассматриваемой поверхности способствует увеличению доли светового потока, выводимого под определенными углами.It should be noted that in addition to the surface shape of the upper base of the optical element, the light distribution of radiation achieved with its help is also affected by the structure and roughness of this surface. So, with a structured (not smooth) surface of the upper base, mixing of the emitted light rays and smoothing of the KSS (light intensity curve) are more intense, and the smoothness of the surface under consideration contributes to an increase in the fraction of the light flux output at certain angles.

В качестве наружной и внутренней поверхностей стенок оптического элемента могут быть использованы, например, поверхности вращения кривых второго порядка, то есть поверхности, имеющие в плоскости продольного сечения параболическую, эллипсоидную, сферическую форму и прочее. В частности, наружная и внутренняя поверхности стенок могут быть образованы двумя «вложенными» друг в друга гиперболоидами вращения.As the outer and inner surfaces of the walls of the optical element, for example, surfaces of rotation of second-order curves, that is, surfaces having a parabolic, ellipsoidal, spherical shape, etc. in the plane of the longitudinal section, can be used. In particular, the outer and inner surface of the walls can be formed by two "embedded" into each other hyperboloid of rotation.

Конкретная форма профиля стенок оптического элемента может быть определена путем нахождения совокупности точек профиля их наружной и внутренней поверхностей методом трассировки лучей через модель оптического элемента с помощью ЭВМ с использованием законов оптики и оптимизационных алгоритмов. Метод нахождения точек профиля каждой из указанных поверхностей основан на выборе угла наклона рассматриваемой поверхности в рассматриваемой точке ее профиля к оси абсцисс (угла наклона касательной к рассматриваемой поверхности, проведенной в рассматриваемой точке профиля), обеспечивающего угол полного внутреннего отражения для падающего на рассматриваемую точку профиля светового луча, с учетом геометрических размеров источника излучения и требуемой толщины стенок оптического элемента, обеспечивающей необходимое число переотражений лучей света от их наружной и внутренней поверхностей.The specific profile profile of the walls of the optical element can be determined by finding the set of profile points of their outer and inner surfaces by ray tracing through the optical element model using a computer using the laws of optics and optimization algorithms. The method of finding the profile points of each of these surfaces is based on the choice of the angle of inclination of the considered surface at the considered point of its profile to the abscissa axis (the angle of inclination of the tangent to the considered surface, drawn at the considered profile point), which provides the angle of total internal reflection for the light incident on the considered profile point beam, taking into account the geometric dimensions of the radiation source and the required wall thickness of the optical element, providing the required number of re-reflection rays of light from their outer and inner surfaces.

Конечная форма профиля оптического элемента определяется в ходе компьютерного моделирования и последующего макетирования и является результатом выбора наиболее оптимального варианта с точки зрения достижения требуемого светового распределения.The final shape profile of the optical element is determined during computer simulation and subsequent prototyping and is the result of choosing the most optimal option in terms of achieving the desired light distribution.

Для снижения световых потерь и обеспечения требуемого светораспределения размеры оптического элемента следует согласовывать с размерами излучающей поверхности источника излучения.To reduce light losses and ensure the required light distribution, the dimensions of the optical element should be coordinated with the dimensions of the radiating surface of the radiation source.

Поскольку большая часть вводимых в оптический элемент световых лучей распространяется внутри его боковых стенок и излучается его верхней кромкой, отсутствует необходимость формирования во внутренней полости оптического элемента каких - либо дополнительных элементов оптики, например, линзы. Это позволяет упростить форму нижнего основания, и, следовательно, оптического элемента в целом. Преимущественно, наружная поверхность нижнего основания имеет плоскую форму, что позволяет организовать оптический контакт указанного основания с излучающей поверхностью источника излучения, исключив тем самым потери света на оптических границах. Форма профиля внутренней поверхности нижнего основания определяется формой профиля нижней части поверхности, образующей внутреннюю поверхность боковых стенок оптического элемента.Since most of the light rays introduced into the optical element propagate inside its side walls and are emitted by its upper edge, there is no need to form any additional optical elements, for example, lenses, in the internal cavity of the optical element. This allows us to simplify the shape of the lower base, and therefore the optical element as a whole. Advantageously, the outer surface of the lower base is flat in shape, which makes it possible to arrange optical contact of said base with the radiating surface of the radiation source, thereby eliminating light loss at the optical boundaries. The profile shape of the inner surface of the lower base is determined by the profile shape of the lower part of the surface, forming the inner surface of the side walls of the optical element.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является то, что основная часть световых лучей распространяется внутри боковых стенок оптического элемента и выводится через поверхность его верхнего кольцеобразного основания. Это позволяет решить поставленную задачу - обеспечивает возможность получения разнообразных диаграмм направленности светового излучения при незначительных конструктивных изменениях оптического элемента.Thus, the technical result achieved by the implementation of the claimed invention is that the main part of the light rays propagates inside the side walls of the optical element and is output through the surface of its upper annular base. This allows us to solve the problem - provides the ability to obtain a variety of radiation patterns of radiation with minor structural changes in the optical element.

В результате с помощью заявляемого оптического элемента оказывается возможным создать ряд конструктивно сходных между собой светотехнических изделий с разным световым распределением.As a result, using the inventive optical element, it is possible to create a number of structurally similar lighting products with different light distribution.

При этом применение заявляемого оптического элемента позволяет исключить рефлектор или рассеиватель из состава светотехнического изделия, что является экономически выгодным.Moreover, the use of the inventive optical element eliminates the reflector or diffuser from the composition of the lighting product, which is economically viable.

Кроме того, из-за многократного переотражения световых лучей внутри стенок оптического элемента перед выходом их наружу, происходит эффективное перемешивание лучей, что способствует снижению хроматической неоднородности излучаемого светового потока.In addition, due to the multiple re-reflection of light rays inside the walls of the optical element before they exit, effective mixing of the rays occurs, which helps to reduce the chromatic inhomogeneity of the emitted light flux.

На фиг. 1 представлен общий вид оптического элемента; на фиг. 2 представлен общий вид оптического элемента в аксонометрии, обеспечивающего широкую диаграмму направленности излучения; на фиг. З представлена кривая силы света для оптического элемента, представленного на фиг. 2; на фиг. 4 представлен общий вид оптического элемента в аксонометрии, обеспечивающего узкую диаграмму направленности излучения; на фиг. 5 представлена кривая силы света для оптического элемента, представленного на фиг. 4.In FIG. 1 shows a general view of an optical element; in FIG. 2 shows a general view of an optical element in a perspective view providing a wide radiation pattern; in FIG. C shows the light intensity curve for the optical element shown in FIG. 2; in FIG. 4 shows a general view of an optical element in a perspective view providing a narrow radiation pattern; in FIG. 5 shows the light intensity curve for the optical element shown in FIG. four.

Оптический элемент выполнен в виде оптически прозрачного объемного тела, имеющего чашеобразную расширяющуюся в направлении снизу вверх форму, содержащего нижнее основание 1, боковые стенки 2 и верхнее основание 3. Верхнее основание 3 имеет кольцеобразную в поперечном сечении форму.The optical element is made in the form of an optically transparent volumetric body having a cup-shaped shape expanding in the upward direction, comprising a lower base 1, side walls 2 and an upper base 3. The upper base 3 has a ring-shaped cross-sectional shape.

Боковые стенки 2 имеют внутреннюю и наружную поверхности соответственно 4 и 5.The side walls 2 have inner and outer surfaces 4 and 5, respectively.

Нижнее основание 1 предназначено для ввода световых лучей от располагаемого под ним источника излучения 6, выполненного, в частности, в виде светодиодной матрицы. Наружная поверхность нижнего основания 1 выполнена, в частности, плоской, а площадь указанной поверхности определяется размерами излучающей поверхности источника 6.The lower base 1 is intended for the input of light rays from the radiation source 6 located below it, made, in particular, in the form of an LED matrix. The outer surface of the lower base 1 is made, in particular, flat, and the area of this surface is determined by the size of the radiating surface of the source 6.

Форма профиля боковых стенок 2 обеспечивает эффект полного внутреннего отражения для падающих на их наружную и внутреннюю поверхности световых лучей. При этом в плоскости продольного сечения точки профиля поверхностей 4 и 5 выбраны из условия отражения падающего на каждую их рассматриваемых поверхностей в рассматриваемой точке профиля светового луча, излучаемого источником 6, или светового луча, отраженного противолежащей по отношению к рассматриваемой поверхностью стенок 2, под углом, соответствующим углу полного внутреннего отражения.The profile shape of the side walls 2 provides the effect of total internal reflection for light rays incident on their outer and inner surfaces. Moreover, in the plane of the longitudinal section, the profile points of surfaces 4 and 5 are selected from the condition of reflection of the light beam incident on each of the surfaces under consideration at the considered point of the profile of the light beam emitted by the source 6, or a light beam reflected opposite to the surface of the walls 2, at an angle corresponding to the angle of total internal reflection.

Поверхности 4 и 5 имеют, в частности, форму гиперболоида вращения.Surfaces 4 and 5 have, in particular, the shape of a hyperboloid of revolution.

Верхнее основание 3, имеет, в частности, слегка вогнутую форму профиля.The upper base 3 has, in particular, a slightly concave profile shape.

На фиг. 2 представлен оптический элемент, верхнее основание которого имеет плоскую скошенную наружу форму. Как видно из фиг. 3, на которой представлена кривая силы света - зависимость относительной интенсивности излучения от полярного угла, оптический элемент, представленный на фиг. 2, обеспечивает широкую диаграмму направленности излучения.In FIG. 2 shows an optical element, the upper base of which has a flat, beveled outward shape. As can be seen from FIG. 3, which shows the light intensity curve — the dependence of the relative radiation intensity on the polar angle, the optical element shown in FIG. 2, provides a wide radiation pattern.

На фиг. 4 представлен оптический элемент, верхнее основание которого имеет слегка вогнутую форму. Как видно из фиг. 5, на которой представлена кривая силы света - зависимость относительной интенсивности излучения от полярного угла, оптический элемент, представленный на фиг. 4, обеспечивает узкую диаграмму направленности излучения.In FIG. 4 shows an optical element, the upper base of which has a slightly concave shape. As can be seen from FIG. 5, which shows the light intensity curve — the dependence of the relative radiation intensity on the polar angle, the optical element shown in FIG. 4, provides a narrow radiation pattern.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Излучаемые источником 6 световые лучи вводятся в оптический элемент через нижнее основание 1.The light rays emitted by the source 6 are introduced into the optical element through the lower base 1.

На фиг. 1 условно показан ход лучей в оптическом элементе на примере лучей 7, 8, 9 и 10.In FIG. 1 conventionally shows the course of the rays in the optical element on the example of rays 7, 8, 9 and 10.

Большинство световых лучей (7, 8, 9) падают на поверхность 5, отражаются от нее под углом, соответствующем углу полного внутреннего отражения для среды материал оптического элемента - воздух и падают на поверхность 4. Далее происходит последовательное отражение лучей 7, 8, 9 поверхностями 4 и 5 под углами, соответствующем углу полного внутреннего отражения. Лучи 7, 8, 9 выводятся через верхнее основание 3 и образуют при этом узкий пучок света, сконцентрированный вблизи центральной продольной оси оптического элемента.Most of the light rays (7, 8, 9) fall on the surface 5, are reflected from it at an angle corresponding to the angle of total internal reflection for the medium, the material of the optical element is air and fall on the surface 4. Next, successive reflection of the rays 7, 8, 9 by surfaces 4 and 5 at angles corresponding to the angle of total internal reflection. The rays 7, 8, 9 are output through the upper base 3 and form a narrow beam of light concentrated near the central longitudinal axis of the optical element.

Незначительное количество световых лучей (луч 10) проходит через внутреннюю полость оптического элемента в направлении центральной продольной оси оптического элемента.A small number of light rays (beam 10) passes through the internal cavity of the optical element in the direction of the central longitudinal axis of the optical element.

Claims

An optical element made in the form of an optically transparent three-dimensional body having a cup-shaped shape expanding from bottom to top, containing side walls, a lower base designed to enter light rays from a radiation source, and an upper base having a ring-shaped shape in the plane of the cross section this outer surface of the side walls of the optical element is a surface that provides the effect of total internal reflection for incident light rays, different t m, that the inner surface of the side walls of the optical element is a surface that provides the effect of total internal reflection for light rays incident on it, while the shape of the side walls in longitudinal section and their thickness are selected from the condition of ensuring reflection of light rays incident on their outer and inner surfaces, introduced into the optical element from the radiation source and for reflected by the indicated surfaces, at an angle corresponding to the angle of total internal reflection.