Система освещения с множественными параболическими отражателями
1. Основное содержание
Отражающие поверхности данного дизайна изготовлены на основе парабол, с параболическим уравнением
y 2=4fx. Парабола — это геометрическое место точек плоскости, равноудаленных от фиксированной точки (называемой фокусом) и фиксированной прямой (называемой директрисой), не проходящей через фокус. На Рисунке 1 (Схема параболы) показана фиксированная прямая L (фиолетовая) и фиксированная точка F, не лежащая на прямой; все подвижные точки P плоскости, равноудаленные от прямой L и фокуса F, образуют параболу. Прямая L (фиолетовая) — директриса, точка F — фокус. Прямая M (красная), проходящая через фокус и перпендикулярная директрисой, называется осью симметрии (кратко — ось). Точка пересечения V оси и параболы — вершина. Расстояние от V до F — фокусное расстояние. Отрезок, соединяющий две точки параболы, называется хордой; хорда, проходящая через фокус, — фокальная хорда. Фокальная хорда P1P2 (синяя пунктирная линия), перпендикулярная оси симметрии, называется прямоугольной фокальной хордой.
Рисунок 1. Схема параболы
Дизайн использует параболу в качестве отражающей поверхности, так как свет, испускаемый из фокуса, при отражении от параболического отражателя распространяется параллельно главной оси. После создания модуля в программном обеспечении для моделирования SolidWorks модуль был импортирован в программное обеспечение для оптической симуляции FRED. Каждая из трех параболических отражающих поверхностей модуля имеет угол 22,5 градусов, с общим размером световыхода 27,661 мм и длиной 13,836 мм. Затем источник света LED был установлен в фокус (0,0,0) линзы, и линза размером 5,503 мм была расположена на фокусном расстоянии X=7,739, как показано на Рисунке 2 (Схема модуля). Также была создана аналитическая поверхность размером 28 мм, расположенная на расстоянии 50 мм перед LED по оси X=50 мм.
Рисунок 2. Схема модуля
Как показано на Рисунке 3, был проведен трассировку лучей с использованием 100 лучей. Видим, что лучи с углом рассеяния 90 градусов после прохождения через три параболических отражающих поверхности распространяются параллельно оси, а центральные лучи, не проходящие через параболические отражающие поверхности, через линзу распространяются параллельно.
Рисунок 3. Диаграмма трассировки лучей (100 лучей)
Рисунок 4 (Диаграмма освещенности) демонстрирует результаты симуляции с использованием 50 000 лучей. На диаграмме видно, что яркий свет (обозначенный красным цветом) сосредоточен в центре аналитической поверхности с интенсивностью 0,0136~0,0153 Вт/мм². Интенсивность уменьшается в порядке оранжевый (0,0119~0,0136 Вт/мм²), желтый (0,0102~0,0119 Вт/мм²), зеленый (0,0051~0,0102 Вт/мм²) и голубой (0,0017~0,0051 Вт/мм²), образуя круговой паттерн. Самый внешний темно-синий цвет (0~0,0017 Вт/мм²) соответствует самой слабой освещенности.
Рисунок 4. Диаграмма освещенности
Рисунок 5 (Диаграмма пятна света) четко показывает световой паттерн, формируемый тремя параболическими отражателями.
Рисунок 5. Диаграмма пятна света
Также был изготовлен традиционный модуль с линзой TIR. Линзы TIR изготовляются с использованием параболических отражателей и линз; Рисунок 6 (Схема принципа работы линзы TIR) иллюстрирует, как естественно рассеянный свет, после отражения от параболического отражателя, распространяется параллельно.
Рисунок 6. Схема принципа работы линзы TIR [4]
Модуль с линзой TIR был создан в SolidWorks и импортирован в программное обеспечение для оптической симуляции. Отражатель также изготовлен с использованием параболической поверхности, с размером световыхода 27,661 мм и длиной 33,468 мм. Линза, LED и аналитическая поверхность имели те же размеры и позиции, что и в модуле с множественными параболическими отражателями, как показано на Рисунке 7 (Схема модуля TIR).
Рисунок 7. Схема модуля TIR
Рисунок 8 (Диаграмма трассировки лучей для линзы TIR с 100 лучами) показывает, что лучи с углом рассеяния 90 градусов распространяются параллельно через внешний параболический отражатель и переднюю линзу.
Рисунок 8. Диаграмма трассировки лучей для линзы TIR (100 лучей)
Диаграмма освещенности (Рисунок 9) из симуляции с 50 000 лучами показывает, что яркий свет (красный) также сосредоточен в центре с тем же диапазоном интенсивности (0,0136~0,0153 Вт/мм²). Интенсивность уменьшается в порядке оранжевый (0,0119~0,0136 Вт/мм²), желтый (0,0102~0,0119 Вт/мм²), светло-зеленый до зеленого (0,0051~0,0102 Вт/мм²) и голубой (0,0017~0,0051 Вт/мм²), образуя круговой паттерн. Однако свет за пределами центра менее однороден.
Рисунок 9. Диаграмма освещенности линзы TIR
Рисунок 10 (Диаграмма пятна света линзы TIR) показывает, что центральный свет образует концентрированное кружочко, а периферийный свет более слабый.
Рисунок 10. Диаграмма пятна света линзы TIR
Сравнение диаграмм освещенности (Рисунок 11) показывает, что интенсивность света у обоих модулей одинакова, но предлагаемый модуль (слева) имеет более концентрированную и однородную освещенность, чем традиционная линза TIR.
Рисунок 11. Сравнение диаграмм освещенности
Рисунок 12 (Сравнение диаграмм пятен света) показывает, что на левой диаграмме (предлагаемый модуль) центральный свет более интенсивный с видимыми паттернами от трех параболических отражателей, а на правой диаграмме (линза TIR) периферийный свет более слабый.
Рисунок 12. Сравнение диаграмм пятен света
Рисунок 13 (Сравнение размеров модулей) показывает, что у обоих модулей одинаковые размеры световыхода и линз, а также их позиции, но длина предлагаемого модуля (слева) на 19,632 мм короче, чем у модуля TIR (справа).
Рисунок 13. Сравнение размеров модулей
2. Заключение
Изготовленный в рамках данного дизайна светильник с множественными параболическими отражателями имеет меньший объем, чем линза TIR, что позволяет сократить занимаемое им пространство. При этом, несмотря на меньший размер, освещенность более концентрированная и однородная, чем у линзы TIR. Может применяться в фонарях, внутреннем и внешнем освещении, прожекторах и световых приборах транспортных средств на основе LED.