РЕГУЛИРУЕМЫЙ СВЕТОРАССЕИВАТЕЛЬ
ADJUSTABLE LIGHT DIFFUSER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
В первом аспекте изобретение относится к светорассеивателю, содержащему по меньшей мере частично прозрачный первый слой и прилегающий по меньшей мере частично прозрачный второй слой, причем первый слой является непрерывным и содержит растягиваемый эластомер, а второй слой является сегментированным слоем, содержащим материал с высокой эффективной жесткостью, рассчитанной как произведение толщины материала и модуля упругости материала. Во втором и третьем аспекте, соответственно, изобретение дополнительно относится к осветительному устройству, содержащему такой светорассеиватель, и способу изготовления такого светорассеивателя.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Светорассеиватели вышеупомянутого типа широко применяются в осветительных устройствах, в частности, светильниках для изменения света, излученного источником света осветительного устройства.
US-2011/0267680 A1 описывает оптическое устройство, содержащее подложку на основе деформируемой полимерной пленки и жесткий оптический элемент, который в одном варианте осуществления представляет собой светорассеивающую структуру, обеспеченную на подложке. С подложкой соединяют электроды, чтобы обеспечить возможность деформации подложки, которая, в свою очередь, позволяет жесткому оптическому элементу быть смещенным в плоскости подложки.
Однако это оптическое устройство имеет статические свойства, которые не могут быть изменены после процесса изготовления. Следовательно, необходимо изготавливать широкий спектр различных светорассеивателей в зависимости от желаемой модификации света и цели, которая должна быть достигнута в различных применениях.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения - преодолеть эту проблему и обеспечить светорассеиватель, имеющий регулируемые светорассеивающие свойства.
В соответствии с первым аспектом изобретения, эта и другие задачи достигаются светорассеивателем, который описан с самого начала, в котором второй слой содержит непериодический рисунок сегментов, имеющих различные размеры, и в котором светорассеиватель является растягиваемым между первым положением, в котором первый слой находится в нерастянутом состоянии, а сегменты второго слоя располагаются рядом друг с другом так, чтобы образовывать по существу непрерывный слой, и вторым положением, в котором первый слой растягивается, а сегменты второго слоя отделяются друг от друга таким образом, что часть первого слоя является открытой.
С таким светорассеивателем гарантировано, что светорассеивающие свойства светорассеивателя могут быть изменены после завершения процесса изготовления, поскольку светорассеивающие свойства зависят от степени растягивания светорассеивателя. Благодаря этому, пользователь может регулировать светорассеивающие свойства светорассеивателя на месте перед установкой или даже после нее в соответствии с конкретной необходимостью. Кроме того, получается система, являющаяся простой по конструкции и экономически эффективной при изготовлении.
Различные размеры сегментов второго слоя могут содержать одно или более из ширины, толщины и длины.
В варианте осуществления первый слой содержит силиконовый каучук, электроактивный полимер, диэлектрический электроактивный полимер, электроактивный эластомер или диэлектрический электроактивный эластомер, причем такие материалы имеют особенно благоприятные свойства касательно растягиваемости, памяти формы и долговечности.
2
В варианте осуществления второй слой содержит PEDOT:PSS (поли(3,4-этилендиокситиофен) поли(стиролсульфонат)) или слой покрытия, содержащий SiO или SiN. Было показано, что такие материалы имеют особенно благоприятные свойства, подходящие для образования слоя, имеющего непериодический рисунок сегментов, причем эти свойства включают в себя подходящие критическую деформацию и хрупкость.
В варианте осуществления светорассеиватель дополнительно содержит по меньшей мере один исполнительный элемент, выполненный с возможностью растягивания первого слоя по меньшей мере в одном направлении, по существу параллельном поверхности первого слоя, прилегающего ко второму слою.
Благодаря этому обеспечивается светорассеиватель, имеющий простую конструкцию, при которой светорассеивающие свойства могут регулироваться простым и удобным способом.
В варианте осуществления первый слой содержит силиконовый каучук, электроактивный полимер, диэлектрический электроактивный полимер, электроактивный эластомер или диэлектрический электроактивный эластомер, а по меньшей мере один исполнительный элемент содержит первый электрод, расположенный на первой поверхности первого слоя, и второй электрод, расположенный на противоположной первой поверхности второй поверхности первого слоя.
Благодаря этому обеспечивается светорассеиватель, имеющий простую конструкцию, в котором светорассеивающие свойства могут регулироваться особенно простым и удобным способом, просто с помощью регулирования напряжения, приложенного к электродам.
В дополнительном варианте осуществления упомянутый по меньшей мере один исполнительный элемент содержит первый электрод и третий электрод, расположенные на первой поверхности на противоположных концах первого слоя, и второй электрод и четвертый электрод, расположенные на противоположной первой поверхности второй поверхности на противоположных концах первого слоя.
В этом варианте осуществления напряжение, приложенное к каждой паре электродов, не обязательно должно быть одинаковым, но может также быть различным, тем самым обеспечивая дополнительный параметр для регулирования светорассеивающих свойств светорассеивателя, в котором может быть получено нелинейное растяжение.
В варианте осуществления первый, второй, третий и/или четвертый электроды являются сегментированными электродами.
Благодаря этому обеспечивается светорассеиватель, в котором первый растягиваемый слой может растягиваться одновременно в более, чем одном направлении. Если, например, первый слой растягивается в двух направлениях, являющихся взаимно перпендикулярными и, кроме того, являющихся по существу параллельными поверхности первого слоя, прилегающего ко второму слою, а степень растягивания в двух направлениях одинакова, может быть получен круговой рисунок рассеивания. Однако, с помощью изменения соотношения степени растягивания в двух направлениях рисунок рассеивания становится эллиптическим.
Кроме того, в варианте осуществления светорассеиватель содержит по меньшей мере частично прозрачный третий слой, прилегающий к первому слою, на противоположной второму слою поверхности, причем третий слой содержит непериодический рисунок сегментов, имеющих различные размеры, а светорассеиватель является растягиваемым между первым положением, в котором первый слой находится в нерастянутом состоянии, а сегменты третьего слоя располагаются рядом друг с другом так, чтобы образовывать по существу непрерывный слой, и вторым положением, в котором первый слой растягивается, а сегменты третьего слоя отделяют друг от друга таким образом, что часть первого слоя является открытой.
Предоставление такого третьего слоя обеспечивает светорассеиватель, имеющий светорассеивающие свойства, содержащий дополнительные параметры, которые могут быть изменены, причем дополнительные параметры относятся к размерам сегментов третьего слоя. Такой светорассеиватель обеспечивает выход света с более случайным эффектом рассеивания.
2
Третий слой может содержать PEDOT:PSS (поли(3,4-этилендиокситиофен) поли(стиролсульфонат)) или слой покрытия, содержащий SiO или SiN.
В соответствии со вторым аспектом изобретения, вышеупомянутая задача и другие задачи решаются с помощью осветительного устройства, содержащего светорассеиватель по любому из пунктов вышеприведенной формулы изобретения и по меньшей мере один источник света, расположенный на противоположной второму слою стороне первого слоя.
Благодаря этому получают осветительное устройство, при наличии которого пользователь, например, продавец или конечный пользователь может регулировать светорассеивающие свойства светорассеивателя на месте перед установкой осветительного устройства или даже после нее в соответствии с конкретной необходимостью. Кроме того, получают систему, являющуюся простой по конструкции и экономически эффективной при изготовлении.
В варианте осуществления осветительного устройства в соответствии с изобретением толщина второго слоя выбирается так, чтобы получать разность фаз π между падающим пучком, распространяющимся сквозь первый слой светорассеивателя, и падающим пучком, распространяющимся сквозь первый и второй слой светорассеивателя, причем эти два падающих пучка исходят по меньшей мере из одного источника света.
В соответствии с третьим аспектом изобретения вышеупомянутая задача и другие задачи решаются способом изготовления светорассеивателя в соответствии с изобретением, причем способ содержит этапы:
- обеспечения прозрачного первого слоя, являющегося непрерывным и содержащего растягиваемый эластомер,
- нанесения по меньшей мере частично прозрачного второго слоя на первый слой в нерастянутом состоянии первого слоя, причем второй слой содержит материал с высокой эффективной жесткостью, рассчитанной как произведение толщины материала и модуля упругости материала, и
- растягивания первого слоя до диапазона, когда второй слой растрескивается на меньшие сегменты так, чтобы обеспечить второй слой с непериодическим рисунком сегментов, имеющих различные размеры.
Необходимо отметить, что это изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, перечисленных в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Этот и другие аспекты настоящего изобретения будут теперь описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, показывающие вариант(ы) осуществления изобретения. На чертежах:
Фиг. 1а и 1b показывают вид сбоку первого варианта осуществления светорассеивателя в соответствии с первым аспектом изобретения в первом положении, соответствующем нерастянутому состоянию, и втором положении, соответствующем растянутому состоянию, соответственно, источника света и пары световых пучков, излучаемых упомянутым источником света, указанным на фиг. 1b.
Фиг. 2а и 2b показывают вид сбоку второго варианта осуществления светорассеивателя в соответствии с первым аспектом изобретения в первом положении, соответствующем нерастянутому состоянию, и втором положении, соответствующем растянутому состоянию, соответственно, источника света и пары световых пучков, излучаемых упомянутым источником света, указанным на фиг. 2b.
Фиг. 3 показывает вид в перспективе светорассеивателя в соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг. 1а и 1b в растянутом состоянии.
Фиг. 4а и 4b показывают вид сверху первого варианта осуществления светорассеивателя в соответствии с первым аспектом изобретения в первом положении, соответствующем нерастянутому состоянию, и втором положении, соответствующем растянутому состоянию, соответственно, причем светорассеиватель снабжен исполнительным элементом в форме пары кольцевых электродов.
Фиг. 5а и 5b показывают вид сбоку первого варианта осуществления светорассеивателя в соответствии с первым аспектом изобретения в первом положении, соответствующем нерастянутому состоянию, и втором положении, соответствующем растянутому состоянию, соответственно, причем светорассеиватель снабжен исполнительным элементом в форме пары кольцевых электродов.
Фиг. 6а показывает примерное пояснение моделирования интенсивности света, пропускаемого светорассеивателем в соответствии с изобретением, в зависимости от относительного размера зазора светорассеивателя, в котором сегменты имеют толщину, выбранную для получения разности фаз между двумя пучками света, распространяющегося сквозь светорассеиватель, равной π.
Фиг. 6b-6d показывают пояснения измерений интенсивности непосредственно пропущенного (нулевой порядок) света и света, сдвинутого при пропускании на один порядок (первый порядок) в зависимости от относительного размера зазора светорассеивателя в соответствии с изобретением, в котором сегменты имеют толщину, выбранную для получения разности фаз между двумя пучками света, распространяющегося сквозь светорассеиватель, равной π, 1/2π и 2/3π соответственно.
Фиг. 7 показывает картину атомно-силовой микроскопии (АСМ) светорассеивателя в соответствии с изобретением, выполненного из примерно 100 нм PEDOT:PSS на силиконовом каучуке, полученном от компании NuSil Technology LLC.
Фиг. 8 показывает график, представляющий поперечное сечение в направлении х через светорассеиватель, показанный на фиг. 7.
Фиг. 9а и 9b показывают проекцию пучка коллимированного света через светорассеиватель, показанный на фиг. 7, в нерастянутом состоянии и в состоянии, растянутом в одном направлении, соответственно.
Фиг. 10 показывает примерное пояснение измерения интенсивности света, пропущенного светорассеивателем, показанным на фиг. 7, в зависимости от относительного размера зазора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1а, 1b и 3 показывают первый вариант осуществления светорассеивателя 1 в соответствии с изобретением.
Светорассеиватель 1 в соответствии с изобретением, как правило, содержит первый слой 10 с первой поверхностью 11, второй поверхностью 12, первым концом 13 и вторым концом 14, а также второй слой 20, прилегающий к первому слою 10. Как показано на фиг. 1а и 1b, второй слой 20 обеспечивают на первой поверхности 11 первого слоя 10. Очевидно, что второй слой 20 точно также может быть обеспечен на второй поверхности 12 вместо первой поверхности 11.
Первый слой 10 является непрерывным слоем и содержит полупрозрачный или прозрачный мягкий материал, предпочтительно эластомер, который может растягиваться между первым положением, в котором первый слой 10 находится в релаксированном или нерастянутом состоянии, и вторым положением, в котором первый слой находится в растянутом состоянии, так что во втором положении первый слой длиннее и тоньше, чем в первом положении. Предпочтительно материал первого слоя является электроактивным материалом. Подходящие материалы для первого слоя 10 включают в себя, но не ограничиваются этим, силиконовый каучук, например, предлагаемый NuSil Technology LLC, электроактивный полимер, диэлектрический электроактивный полимер, электроактивный эластомер или диэлектрический электроактивный эластомер. Первый слой 10 предпочтительно имеет толщину между 1 мкм и 3 мм.
2
Второй слой 20 является сегментированным слоем и содержит полупрозрачный или прозрачный материал с высокой эффективной жесткостью, предпочтительно эффективной жесткостью по меньшей мере в 10 раз больше эффективной жесткости первого слоя 10. Эффективная жесткость задается как произведение толщины материала и модуля упругости материала. Предпочтительно материал второго слоя 20 имеет толщину между 0,1 микрометра и 1 микрометром, но он может быть толще, а модуль упругости между 0,1 и 300 ГПа. Подходящие материалы для второго слоя 20 включают в себя, но не ограничиваются этим, PEDOT:PSS (поли(3,4-этилендиокситиофен) поли(стиролсульфонат)) или слой покрытия, содержащий SiO или SiN.
2
Было показано, что предпочтительные комбинации материалов включают в себя силиконовый каучук, покрытый PEDOT:PSS или с комбинацией SiO или SiN.
Как показано на фигурах, второй слой 20 дополнительно содержит непериодический рисунок сегментов 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, имеющих различные размеры, причем такие размеры заключают толщину, ширину и длину сегментов и любую их комбинацию. Кроме того, возможно любое число сегментов больше одного. Более того, светорассеиватель в соответствии с изобретением может содержать второй слой 20 более с чем одним рядом сегментов, при этом сегменты различных рядов могут быть смещены относительно друг друга.
Когда первый слой 10 и вследствие этого светорассеиватель 1 находится в первом положении, в котором первый слой 10 находится в нерастянутом состоянии, сегменты 21a, 21b, 21c, 21d, 21e второго слоя 20 располагаются вблизи друг друга так, чтобы образовывать по существу непрерывный слой - сравни с фиг. 1а. Иными словами, сегменты 21a, 21b, 21c, 21d, 21e второго слоя 20 имеют такую форму, что они подогнаны друг к другу в релаксированном или нерастянутом состоянии светорассеивателя 1.
Когда первый слой 10 и вследствие этого светорассеиватель 1 находятся во втором положении, в котором первый слой 10 находится в растянутом состоянии, сегменты 21a, 21b, 21c, 21d, 21e второго слоя 20 отделены друг от друга зазорами 22a, 22b, 22c, 22d таким образом, что часть первого слоя 10 остается открытой - сравни с фиг. 1b. Зазоры 22a, 22b, 22c, 22d могут иметь различные размеры, в частности, длины и/или ширины.
Фиг. 2а и 2b показывают второй вариант осуществления светорассеивателя 1 в соответствии с изобретением в видах, подобных видам на фиг. 1а и 1b. Светорассеиватель 1 в соответствии со вторым вариантом осуществления отличается от светорассеивателя в соответствии с первым вариантом осуществления лишь в одном отношении. А именно, светорассеиватель 1 в соответствии со вторым вариантом осуществления содержит третий слой 70, прилегающий к первому слою 10, на поверхности, противоположной поверхности, на которой второй слой 20 прилегает к первому слою 10. Как показано на фиг. 2а и 2b, третий слой 70 обеспечивают на второй поверхности 12 первого слоя 10, в то время как второй слой 20 обеспечивают на первой поверхности 11 первого слоя 10. Очевидно, что в вариантах осуществления, в которых второй слой 20 обеспечивают на второй поверхности 12, третий слой 70 может также быть обеспечен только на первой поверхности 11.
2
Третий слой 70 является сегментированным слоем и содержит полупрозрачный или прозрачный материал с высокой эффективной жесткостью, предпочтительно эффективной жесткостью, по меньшей мере, в 10 раз превышающей эффективную жесткость первого слоя 10. Эффективная жесткость задается как произведение толщины материала и модуля упругости материала. Предпочтительно данный материал имеет толщину между 0,1 микрометра и 1 микрометром, но он может быть толще, а модуль упругости между 0,1 и 300 ГПа. Подходящие материалы для третьего слоя 70 включают в себя, но не ограничиваются этим, PEDOT:PSS (поли(3,4-этилендиокситиофен) поли(стиролсульфонат)) или слой покрытия, содержащий SiO или SiN.
Более того, как показано на фиг. 2а и 2b, третий слой 70 содержит непериодический рисунок сегментов 71a, 71b, 71c, 71d, 71e, имеющих различные размеры, причем такие размеры заключают толщину, ширину и длину сегментов и любую их комбинацию.
Когда первый слой 10 и вследствие этого светорассеиватель 1 находятся в первом положении, в котором первый слой 10 находится в нерастянутом состоянии, сегменты 71a, 71b, 71c, 71d, 71e третьего слоя 70 располагаются вблизи друг друга так, чтобы образовывать по существу непрерывный слой - сравни с фиг. 2а. Иными словами, сегменты 71a, 71b, 71c, 71d, 71e третьего слоя 70 имеют такую форму, что они подогнаны друг к другу в релаксированном или нерастянутом состоянии светорассеивателя 1.
Когда первый слой 10 и вследствие этого светорассеиватель 1 находятся во втором положении, в котором первый слой 10 находится в растянутом состоянии, сегменты 71a, 71b, 71c, 71d, 71e третьего слоя 70 отделяются друг от друга зазорами 72a, 72b, 72c, 72d так, что часть первого слоя 10 остается открытой - сравни с фиг. 2b. Зазоры 72a, 72b, 72c, 72d могут иметь различные размеры, в частности, длины и/или ширины.
Третий слой 70 может быть идентичным второму слою 20 или отличаться от него в отношении выбора материалов и/или размеров сегментов 71a, 71b, 71c, 71d, 71e. Аналогичным образом расположение рисунка сегментов 71a, 71b, 71c, 71d, 71e третьего слоя 70 может быть идентичным расположению рисунка сегментов второго слоя 20 или отличаться от него.
Обращаясь теперь к фиг. 1b и 2b, на них соответственно были указаны источник 80 света и пара световых пучков 30, 40, излучаемых источником 80 света, благодаря чему схематически иллюстрируется обобщенный вариант осуществления осветительного устройства в соответствии со вторым аспектом изобретения.
Источник 80 света может представлять собой любой возможный тип источника света, например, один или более СИДов или ламп накаливания, либо даже массив источников света.
Как можно увидеть из фиг. 1b, первый световой пучок 30 распространяется сквозь первый слой 10 и зазор 22b между сегментами 21b и 21с второго слоя 20, в то время как второй световой пучок 40 распространяется сквозь первый слой 10 и сегмент 21с второго слоя 20.
Таким образом, длина оптического пути второго светового пучка 40 длиннее, чем длина оптического пути первого светового пучка 30. Эти различия в длине оптического пути создают усиливающую и ослабляющую интерференцию. Поскольку размеры сегментов и размеры зазоров не постоянны, может быть получена равномерная и, следовательно, размытая дифракционная картина.
Аналогичным образом, как можно увидеть на фиг. 2b, первый световой пучок 30 распространяется сквозь первый слой 10, зазор 22b между сегментами 21b и 21с второго слоя 20 и зазор 72b между сегментами 71b и 71с третьего слоя 70, в то время как второй световой пучок 40 распространяется сквозь сегмент 71с третьего слоя 70, первый слой 10 и сегмент 21с второго слоя 20. Благодаря этому может быть получено большее различие в длине оптического пути. Очевидно, возможно также, в зависимости от размера и расположения соответствующих сегментов, что световой пучок может распространяться лишь сквозь один сегмент либо третьего слоя 70, либо второго слоя 20.
Обратимся теперь к фиг. 4а, 4b, 5а и 5b, где показан светорассеиватель 1 в соответствии с первым вариантом осуществления, содержащий исполнительный элемент 50. Исполнительный элемент 50 выполнен с возможностью растягивания первого слоя 10 в радиальном направлении (фиг. 4а и 4b) или по меньшей мере в одном направлении x, y (фиг. 5а и 5b, и также указано на фиг. 3), по существу параллельном первой поверхности 11 первого слоя 10, прилегающего к упомянутому второму слою 20.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 4а и 4b, исполнительный элемент 50 представляет собой пару кольцевых электродов, а первый слой 10 содержит электроактивный эластомер или полимер. Первый кольцевой электрод 51 располагается вдоль внешней границы первого слоя 10 светорассеивателя 1, который аналогичным образом имеет кольцевую форму, на первой поверхности 11 первого слоя 10 и охватывает по окружности второй слой 20. Второй кольцевой электрод (не показан) располагается аналогичным образом на второй поверхности 12 первого слоя 10 светорассеивателя 1. При приложении напряжения к паре кольцевых электродов (фиг. 4b) часть первого слоя, расположенная между электродами, растягивается, а структура светорассеивателя внутри кольцевого электрода в результате этого выдавливается в направлении первого, нерастянутого положения. Благодаря этому светорассеиватель становится более прозрачным. В варианте осуществления, показанном на фиг. 4а и 4b, светорассеиватель может растягиваться одновременно во всех направлениях, попадающих в плоскость первой поверхности 11.
Необходимо отметить, что пара электродов может в принципе иметь любую форму, например, прямоугольную или треугольную, приспособленную с учетом внешней границы первого слоя светорассеивателя. Кроме того, возможны электроды, которые простираются практически по всей внешней границе первого слоя светорассеивателя, т.е., которые упускают один или более сегментов.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 5а и 5b, первый слой 10 содержит электроактивный эластомер или полимер, а исполнительный элемент 50 содержит первый электрод 51 и второй электрод 52, расположенные на первой поверхности 11 и на второй поверхности 12, соответственно на первом конце 13 первого слоя 10, тем самым образуя первую пару электродов 51, 52. Исполнительный элемент 50 дополнительно содержит третий электрод 53 и четвертый электрод 54, расположенные на первой поверхности 11 и на второй поверхности 12, соответственно на втором конце 14 первого слоя 10, тем самым образуя вторую пару электродов 53, 54. При приложении напряжения к соответствующим парам электродов 51, 52; 53, 54 часть первого слоя, расположенная между соответствующими парами электродов, растягивается, а структура светорассеивателя внутри пар электродов в результате этого выдавливается в направлении первого, нерастянутого положения, главным образом, в направлении, простирающимся между парами электродов.
Предпочтительно электроды представляют собой растягивающиеся электроды, выполненные из материала, являющегося достаточно податливым, чтобы не ограничивать движение исполнительного механизма, и достаточно деформируемым, чтобы не порваться или разрушиться во время приведения в движение. Такие электроды могут, например, представлять собой тонкопленочные электроды, нанесенные в виде покрытия или напыленные на первый слой светорассеивателя.
Таким образом, исполнительные элементы 50, показанные на фиг. 4а, 4b, 5а и 5b, являются по существу различными вариантами осуществления исполнительного механизма на основе так называемого диэлектрического электроактивного полимера (диэлектрического ЭАП), объединенного со светорассеивателем 1, как показано на фиг. 1а и 1b.
Исполнительные механизмы на основе диэлектрического ЭАП являются известным по существу типом привода, которые в общих чертах представляют собой тонкопленочные исполнительные механизмы, состоящие из слоистой конструкции традиционно двух растягиваемых электродов с мягким эластомером между ними. Растягиваемые электроды являются достаточно податливыми, чтобы не ограничивать движение исполнительного механизма, и достаточно деформируемыми, чтобы не порваться или разрушиться во время приведения в движение. Основной функцией полимерного исполнительного механизма является управляемое растягивающее движение под влиянием управляющего напряжения. При приложении напряжения поверхности растягиваемого электрода исполнительного механизма на основе диэлектрического ЭАП становятся больше, в то время как толщина мягкого эластомера становится меньше из-за несжимаемости упругого полимера. Приведение в движение основано на электростатическом давлении, уравновешиваемом механическим давлением, и действует следующим образом. При приложении к электродам напряжения и, тем самым дополнительного заряда, электроды будут притягиваться друг к другу, а расстояние между ними уменьшается на величину, зависящую от величины дополнительного заряда. Состояние равновесия достигается, когда электростатическое давление уравновешивается механическим давлением сжатого мягкого эластомера.
В качестве дополнительной возможности электроды могут представлять собой сегментированные электроды, т.е. электроды, содержащие два или более взаимно отделенных сегментов. Также электроды могут в принципе иметь любую возможную форму.
Естественно, в принципе может быть обеспечено любое число электродов или пар электродов, включая одну пару и три или более пар. Также не обязательно на все пары электродов необходимо подавать одинаковое напряжение.
Более того, аналогичным образом могут применяться и другие исполнительные средства 50, такие как механические исполнительные средства на основе, например, пружин, магнитов, или любых иных средств, подходящих для растягивания первого слоя 10. Возможно даже, что светорассеиватель может растягиваться рукой, т.е. исполнительный элемент может представлять собой пальцы или руки пользователя, применяемые для растягивания первого слоя вручную.
Обратимся теперь к фиг. 6а-6d, где показан пример моделирований, выполненных на осветительном устройстве, содержащем светорассеиватель в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, для пояснения важности толщины второго слоя 20. В принципе одни и те же соображения относятся к толщине третьего слоя 70. Фиг. 6а показывает моделирование профиля интенсивности света, проходящего сквозь светорассеиватель, в зависимости от относительного размера зазора. Моделирование охватывает лишь дифракционные эффекты светорассеивателя. Именно в этой связи необходимо отметить, что происходят также рассеивающие эффекты светорассеивателя. Проходящий свет нулевого порядка не отображен. Фиг. 6b, 6с и 6d показывают максимальную интенсивность проходящего света нулевого и первого порядка в зависимости от относительного размера зазора для разности фаз, равной π, 1/2π и 3/4π соответственно.
Толщина сегментов второго слоя 20 играет важную роль в подавлении проходящего света нулевого порядка, т.е. непосредственно проходящего света. Это иллюстрируется на графиках, показанных на фиг. 6b, 6с и 6d. Толщина определяет разность фаз между светом, распространяющимся только сквозь эластомер, и светом, который также распространяется сквозь сегмент. Если разность фаз составляет ровно π, проходящий свет нулевого порядка нейтрализуется, когда растягивание таково, что длина элементов и зазоров одинакова, соответствуя относительному размеру зазора, равному 1 (фиг. 6b). Когда разность фаз отлична от π, тем не менее, минимум достигается при таком же растягивании, но вклад проходящего света 0-го порядка все же присутствует. Это иллюстрируется на фиг. 6с и 6d, на которых разность фаз выбирается 1/2π и 3/4π соответственно.
Обратимся теперь к фиг. 7, 8, 9а, 9b и 10, на которых будет описан пример светорассеивателя в соответствии с изобретением. Светорассеиватель выполняли нанесением слоя примерно 100 нм PEDOT:PSS на подложку, выполненную из силиконового каучука, полученного от NuSil Technology LLC, а затем растягивания светорассеивателя в одном направлении. Что касается картины атомно-силовой микроскопии, показанной на фиг. 7, светорассеиватель был растянут в направлении х, указанном на фиг. 7, имея в результате три показанных зазора, которые простираются в направлении y, указанном на фиг. 7. Такое растягивание сопровождается сжатием в вертикальном направлении, вызывая сморщивание пленки в этом направлении. Из фиг. 7, а также из фиг. 8, которая показывает график, представляющий поперечное сечение в направлении х сквозь светорассеиватель, показанный на фиг. 7, очевидно, что ширина элементов из PEDOT:PSS, т.е. сегментов второго слоя светорассеивателя и зазоров не является ни периодической, ни постоянной.
Фиг. 9а и 9b показывают проекцию пучка коллимированного света сквозь светорассеиватель, показанный на фиг. 7. Как проиллюстрировано на фиг. 9а, без какого-либо растягивания светорассеяние не возникает и наблюдается квадратное световое пятно. Если структура растягивается в направлении х, в этом направлении наблюдается широкое диффузионное пятно, как проиллюстрировано на фиг. 9b. В направлении, перпендикулярном направлению х, т.е. в направлении y наблюдается радужная картина из-за сморщивания пленки в этом направлении. Поскольку это сморщивание происходит с хорошо определенным периодом, будут появляться различные цвета (подобно дифракционной решетке) в отличие от направления х, где все смешиваются до белого. В изделии эти цвета, вызванные сморщиванием, нежелательны. Это может быть предотвращено (незначительным) растягиванием в направлении y.
Фиг. 10 показывает измерение профиля интенсивности света, проходящего сквозь светорассеиватель, показанный на фиг. 7, в зависимости от относительного размера зазора. Показанный на фиг. 10 профиль интенсивности аналогичен профилю на фиг. 6а. Наиболее узкий из четырех показанных пиков соответствует нулевой величине зазора, т.е. нерастянутому состоянию светорассеивателя. Чем больше величина зазора, т.е. чем больше растягивание, тем шире становится пик, как проиллюстрировано стрелкой, помеченной «растягивание».
В дальнейшем описывается способ получения светорассеивателя 1 в соответствии с изобретением.
На первом этапе обеспечивается прозрачный первый слой 10, являющийся непрерывным и содержащий растягиваемый эластомер. На последующих этапах на первый слой 10 наносится по меньшей мере частично прозрачный второй слой 20, причем второй слой 20 содержит материал с высокой эффективной жесткостью, рассчитанной как произведение толщины материала и модуля упругости материала, и первый слой 10 растягивается до диапазона, когда второй слой 20 растрескивается на более мелкие сегменты так, чтобы обеспечить второй слой 20 с непериодическим рисунком сегментов 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, имеющих различные размеры.
В этом случае структура сегментов создается случайным образом. Можно также заранее задавать положения, где может происходить трещина, путем локального ослабления структуры второго слоя 20, например, путем создания небольших надрезов для локального уменьшения толщины. Это может достигаться, например, с помощью тиснения или структурирования первого слоя 10 перед нанесением второго слоя 20. Это также применимо к третьему слою 70, описанному ниже.
Способ в соответствии с изобретением может содержать хотя бы один или более из дополнительных этапов обеспечения светорассеивателя 1 по меньшей мере с одним исполнительным элементом 50, либо нанесения по меньшей мере частично прозрачного слоя 70 на поверхность 12 первого слоя 10, противоположного второму слою 20, в нерастянутом состоянии первого слоя 10, причем третий слой 70 содержит материал с высокой эффективной жесткостью, рассчитанной как произведение толщины материала и модуля упругости материала, и растягивания первого слоя 10 до диапазона, когда третий слой 70 растрескивается на более мелкие сегменты так, чтобы обеспечить третий слой 70 с непериодическим рисунком сегментов 71a, 71b, 71c, 71d, 71e, имеющих различные размеры.
Этап растягивания первого слоя может выполняться отдельно для каждого из второго слоя 20 и третьего слоя 70, либо он может выполняться однократно для одновременного обеспечения второго слоя 20 и третьего слоя 70 с непериодическим рисунком сегментов.
Более того, этап обеспечения светорассеивателя 1 по меньшей мере с одним исполнительным элементом 50 может содержать обеспечение, в растянутом состоянии первого слоя 10, первого слоя 10 по меньшей мере с первым электродом 51, расположенным на первой поверхности 11 первого слоя 10, и вторым электродом 52, расположенным на второй поверхности 12 первого слоя 10, противоположной первой поверхности 11, благодаря чему обеспечивается первая пара электродов. Очевидно, могут также предусматриваться дополнительные пары электродов, и соответствующие электроды могут являться сегментированными электродами, как описано выше.
Специалисты в данной области техники осознают, что настоящее изобретение никоим образом не ограничивается описанными выше предпочтительными вариантами осуществления. Напротив, возможны многие модификации и варианты в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.