ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, УСИЛИВАЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ ФИЛЬТРА, СОДЕРЖАЩЕГО ДИХРОИЧНЫЕ НАНОПРОВОЛОКИ ИЗ ОКСИДА ЦИНКА
OPTICAL DEVICE WHICH AMPLIFIES THE RADIATION OF ELECTROLUMINESCENT LIGHT SOURCES USING A FILTER CONTAINING DICHROIC NANOWIRES OF ZINC OXIDE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники
Настоящее изобретение относится к люминесцентным лампам, в частности, к средству, которое проецирует излучаемый ими свет и составлено из оптического устройства, которое подходящим образом расположено на электролюминесцентном источнике света, в частности, на люминесцентной поверхности флуоресцентных ламп и светоизлучающих диодов (LED) белого света, используемых для целей общего освещения, что усиливает свет, излучаемый указанными лампами, не влияя на их коэффициент хроматического воспроизведения (КХВ).
2. Общий уровень техники
В последние годы были приложены значительные усилия по усилению излучения света флуоресцентных ламп и LED-ламп белого света. Важные достижения в данной области позволили получить улучшенные значения эффективности (люмен/ватт) вплоть до 115 люменов на ватт для флуоресцентных ламп и вплоть до 170 люменов на ватт для LED-ламп белого света, однако на рынке доступно или эксплуатируется большое количество ламп данного типа с меньшей технологической разработкой, в которых эти улучшения больше не могут принести выгоду.
Как во флуоресцентных лампах, так и в LED белого света, свет вырабатывается за счет разряда света короткой длины волны и высокой энергии через слой люминесцентного материала, который сформирован смесью элементов из группы редкоземельных элементов и других, которые в общем называются фосфорами, где он превращается в свет более короткой длины волны и меньшей энергии.
Внутри традиционных флуоресцентных ламп, свет короткой длины волны излучается ртутью, содержащейся внутри указанной лампы, в ультрафиолетовом диапазоне, в частности, в ширине полосы, которая составляет от 185 нм до 365 нм, с пиком 254 нм. В случае полупроводниковых диодов белого света (LED), внутри полупроводниковый диод вырабатывает сине-фиолетовый свет в основном в ширине полосы от 400 до 470 нм с пиком 450 нм. В обоих случаях, когда эта энергия разряжается на различных элементах, которые образуют фосфор, свет различных длин волны вырабатывается и смешивается, вырабатывая всем известный белый свет, однако фосфоры, которые использовались вплоть до даты представления настоящего изобретения, не способны преобразовывать общее количество света с высокой энергией, выработанного в их внутреннем пространстве, в свет более короткой длины волны, излучая большую часть указанного света в диапазоне от 380 нм до 470 нм, которая соответствует сине-фиолетовому свету, где человеческий глаз имеет низкую относительную спектральную чувствительность, что приводит к неэффективному использованию излучаемого света и, следовательно, потребляемой ими энергии.
Для улучшения производительности флуоресцентных ламп и LED белого света представлена настоящая инновация, обладающая неочевидным, практичным и низкозатратным решением, которое позволяет увеличить соотношение люмен/ватт указанных ламп, не влияя на их коэффициент хроматического воспроизведения (КХВ), решением, которое также может быть применено к любому источника света данного типа вне зависимости от его степени технологической разработки, поскольку оно является оптическим устройством, находящимся за пределами источника света.
2
В заявке на получение европейского патента EP 1 746 126 A1 автора Кавакацу Акира с датой 24 января 2007 г. описан материал для выборочного блокирования длины волны, предназначенный для применения к различным типам ламп, который образован смесью оксида цинка (ZnO) и оксида титана (TiO), формируя базовую тригональную структуру, за счет чего достигается полное блокирование излучения в УФ-диапазоне и частичное в начале видимого диапазона, в частности, вплоть до 400 нм - 430 нм для того чтобы, с одной стороны, предотвратить повреждение, вызванное УФ-излучением, излучаемым указанными лампами на освещаемые ими объекты, и, с другой стороны, предотвратить привлекательность для насекомых, предлагая минимальные потери исходного светового излучения из источника, однако данное устройство не раскрывает ни использование блокированного излучения, ни распределение ZnO в желаемых для защиты пропорциях, для достижения усиления светового излучения лампы и получения таких параметров продольной волны, как представлено в настоящем изобретении.
2
3
В заявке на получение патента Японии JP 5 725 738 A1 автора Итоу Хиденори с датой 10 февраля 1982 г. раскрыт блокирующий слой, размещенный на флуоресцентной лампе, предназначенный для предотвращения излучения инфракрасного излучения от 1000 нм посредством композитного блокирующего слоя материала из ZnO или оксида индия (INO), что позволяет контролировать указанное излучение в флуоресцентных лампах, однако указанный блокирующий слой не оказывает никакого воздействия на излучение видимого света, что предусмотрено в настоящем изобретении.
В заявке на получение патента Японии JP 2006332000 A1 автора Кавакацу Акира с датой 7 декабря 2006 г. раскрыт материал для люминесцентных ламп, защищающий от лучей ультрафиолета, где люминесцентный экранирующий материал образован основой оксида цинка (ZnO), предусмотренной в качестве основного соединения, допированного по меньшей мере одной частицей вольфрама (W), магния (Mn) или европия (Eu), что предотвращает нежелательное ультрафиолетовое излучение, при этом преобразовывая его в видимый свет с пиком 450 нм - 550 нм, так что любому специалисту в данной области техники очевидно, что принцип работы этого устройства существенно отличается от настоящего изобретения и что оно не может быть применено к LED-лампам белого света, поскольку они не излучают ультрафиолетовое излучение, так что в нем не описано распределение ZnO и в желаемых для защиты пропорциях, для получения таких параметров длин волны, как представлено в настоящем изобретении.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, первой целью изобретения является представление оптического устройства для усиления излучения полезного света в электролюминесцентных источниках посредством выборочного обратного отражения длин волны с высокой энергией указанного излученного света.
Другой целью изобретения является представление устройства для образования одновременно частично отражающего и антиотражающего слоя в зависимости от длины волны проходящего через него света.
Еще одной другой целью изобретения является представление оптического устройства, выполненного с возможностью осуществления обратного отражения на люминесцентный слой источника большей части света высокой энергии и короткой длины волны, подлежащего преобразованию в свет большей длины волны и более низкой энергии, посредством указанного люминесцентного слоя, что приводит к усилению общего излучения света по меньшей мере на 20 %, не изменяя коэффициент хроматического воспроизведения (КХВ) источника.
В отличие от того, что было известно до настоящего времени, представляется возможным восстановление и использование видимого света высокой энергии с низким влиянием на человеческий глаз, излучаемого люминесцентными LED-лампами белого света, за счет настоящего изобретения, которое состоит из оптического отражателя и фильтра, которые работают в комбинации. Отражатель представляет собой металлическую поверхность, диффузную или зеркальную, с отражательной способностью не менее чем 98 %, с размерами и геометрией, соответствующими целевой лампе, функцией которой является отражение наибольшего количества света в направлении рабочей плоскости, а оптический фильтр представляет собой жесткую конструкцию, прозрачную для видимого света, с геометрической формой и размерами, которые также соответствуют целевой лампе, выполненную из органического или неорганического материала, который служит в качестве подложки, на которую нанесен слой оксида цинка. Слой оксида цинка представляет собой наноструктуру нанопроволок из оксида цинка с конкретными параметрами исполнения, такими как константа решетки от 200 нм до 400 нм, коэффициент наполнения от 0,5 до 0,8 и высота от 1 до 2 микрометров, для достижения того, чтобы указанный оптический фильтр вел себя одновременно как частичный отражатель света в ширине полосы от 380 нм до 530 нм и как антиотражающий элемент в диапазоне от 531 нм до 1100 нм.
Оптический фильтр и люминесцентный источник механическим образом прикреплены к отражателю, направляя активный нанослой из оксида цинка к люминесцентному слою источника, таким образом, видимый свет короткой длины волны и высокой энергии будет в основном обратно отражаться в направлении фосфора люминесцентного слоя источника, где он разряжает его энергию на наружном слое источника, подлежащую преобразованию в свет большей длины волны, что приводит к увеличению общего излучения света по меньшей мере на 20 %, не изменяя его коэффициент КХВ, поскольку излученный лампой сине-фиолетовый свет не полностью устраняется.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Следующие чертежи показаны в качестве примера и ссылки на настоящее изобретение.
На фиг. 1 изображен график МКО фотопической спектральной чувствительности человеческого глаза.
На фиг. 2 изображено спектральное распределение традиционной флуоресцентной лампы 4100ºk.
На фиг. 3 изображен график поглощательной и отражательной способности для оптического фильтра, в соответствии с изобретением.
На фиг. 4а изображен вид в сечении первого предпочтительного варианта реализации, когда оптическое устройство применено к традиционной флуоресцентной лампе.
На фиг. 4b изображен вид в сечении первого предпочтительного варианта реализации, на котором показан только оптический фильтр и флуоресцентная лампа.
На фиг. 4c изображен единичный вид в сечении оптического фильтра в первом предпочтительном варианте реализации.
На фиг. 5 изображен вид в перспективе наноструктуры нанопроволок из оксида цинка в активном слое оптического фильтра.
На фиг. 6 изображено относительное спектральное распределение той же флуоресцентной лампы, что на фиг. 2, функционирующей вместе с оптическим устройством, описанным в настоящем изобретении.
На фиг. 7 изображен вид в сечении второго предпочтительного варианта реализации, когда оптическое устройство применено к линейному модулю LED-ламп белого света, для общего использования при освещении.
На фиг. 8 изображено относительное спектральное распределение линейного модуля LED-ламп белого света 4000 °K для общего использования при освещении, как на фигуре 7.
На фиг. 9 изображен вид в сечении второго предпочтительного варианта реализации, на котором показан оптический фильтр и отражатель, отсоединенные от линейного модуля LED-ламп.
На фиг. 10 изображено относительное спектральное распределение LED-лампы в сборе в модуле по фиг. 7, работающей с оптическим устройством, описанным в настоящем изобретении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующем описании ясно и подробно представлена характеристика оптического устройства для усиления излучения полезного света в электролюминесцентных источниках за счет выборочного обратного отражения длин волны высокой энергии указанного излученного света, и для улучшенного понимания характеристик изобретения настоящее описание сопровождается, в качестве его неотъемлемой части, неограничивающими иллюстративными чертежами, на которых подобными ссылочными позициями обозначены детали и фигуры.
Известно, что человеческий глаз не воспринимает все цвета видимого спектра с одинаковой относительной спектральной чувствительностью, на фиг. 1 показан график МКО относительной фотопической спектральной чувствительности человеческого глаза. Как можно увидеть, человеческий глаз достигает своей максимальной эффективности зрительного восприятия при 555 нм, что соответствует зелено-желтому цвету, а в экстремумах спектра эта относительная чувствительность понижается до длин волны, соответствующих сине-фиолетовому цвету на одном конце и красному на другом конце, перед и после этих длин волны глаз становится «слепым» относительно ультрафиолетового и инфракрасного света.
На фиг. 2 представлено спектральное распределение световой энергии в видимом диапазоне, излучаемой традиционной флуоресцентной лампой при общем использовании для освещения при цветовой температуре 4100ºK. Как можно увидеть, при 430 нм имеется пик, который превышает 20 % относительного излучения лампы в этой длине волны, и другой при 487 нм, который достигает почти 20 % указанной относительной интенсивности также в этой длине волны, однако в соответствии с фиг. 1, при этих длинах волны относительная чувствительность человеческого глаза составляет только 1,5 % и 15% соответственно, таким образом, большинство этого света высокой энергии растрачивается.
В отличие от того, что известно до настоящего времени, эта энергия может быть использована путем ее обратного отражения в люминесцентный слой источника, где его высокая энергия разряжается, тем самым превращаясь в свет большей длины волны, для которого человеческий глаз обладает более высокой относительной спектральной чувствительностью, причем это достигается благодаря настоящему инновационному оптическому приспособлению, многослойный оптический фильтр которого выполнен с возможностью обратного отражения большей части видимого света высокой энергии в диапазоне от 380 нм до 530 нм в направлении исходного люминесцентного слоя, полностью не удаляя его, и, в то же время, с возможностью передачи света, соответствующего оставшемуся видимому диапазону и ближнему инфракрасному диапазону, практически без потерь.
Ниже описано два иллюстративных и неограничивающих предпочтительных варианта реализации, при этом следует понимать, что может быть такое множество предпочтительных вариантов реализации, сколько может существовать типов электролюминесцентных ламп белого света.
Первый предпочтительный вариант реализации
На фиг. 4a показан вид в сечении, выполненный без масштаба, первого предпочтительного варианта реализации данного оптического приспособления в точности при применении к традиционной линейной флуоресцентной лампе, которая обычно используется при освещении, являющейся такой же, как и для которой на фиг. 2 показана кривая спектрального распределения в видимом диапазоне. Некоторые размеры были увеличены для обеспечения улучшенного понимания его работы.
В данном варианте реализации, оптический фильтр 7 имеет цилиндрическую форму и его внутренний диаметр больше чем флуоресцентная лампа 1 по меньшей мере на 2 мм, что обеспечивает возможность его коаксиального размещения, а его длина охватывает всю люминесцентную поверхность 2. Лампа 1 и фильтр 7 механическим образом прикреплены к металлическому отражателю 3 посредством двух опорных оснований 11, каждое из которых размещено на каждом конце флуоресцентной лампы 1, а также служит в качестве средства для подачи электричества от балласта. Оптический отражатель 3 имеет параболическую форму и представляет собой диффузную или зеркальную металлическую поверхность с толщиной от 0,2 мм до 1 мм, с диффузной или зеркальной отражательной способностью не менее чем 98 %, функцией которой является отражение света, вырабатываемого лампой 1, в направлении рабочей плоскости, при этом ее размеры соответствуют размерам целевой лампы.
Фиг. 4b представляет собой вид в сечении оптического фильтра 7, содержащего внутри флуоресцентную лампу 1, отсоединенную от опорных оснований 11 и от оптического отражателя 3. Указанный оптический фильтр 7 образован подложкой 9, выполненной из неорганического прозрачного материала, например, известкового стекла или боросиликатного стекла, или органического материала, например, метилметакрилатной или поликарбонатной термопластической смолы, с толщиной от 0,1 нм до 1 мм, на которой находится слой 8 с толщиной от 1,5 до 3 микрон, содержащий оксид цинка, который является активным слоем оптического фильтра 7. В области техники известно, что оксид цинка обладает высокой отражательной способностью в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне и высокой пропускаемостью в видимом диапазоне, однако для корректного функционирования настоящего изобретения, основной отражающий диапазон оксида цинка был несколько продлен до начала видимого диапазона, причем это достигается за счет его исполнения в виде наноструктуры нанопроволок из оксида цинка с константой решетки от 200 нм до 400 нм, коэффициентом заполнения от 0,5 до 0,8 и высотой от 1 до 2 микрометров. На фиг. 5 показан вид в перспективе указанной структуры нанопроволок (NEH) слоя 8, нанесенного на подложку 9, для образования оптического фильтра 7. Показатели преломления подложки 9 и слоя 8 смещены по фазе на 180º для достижения того, чтобы оптический фильтр 7 вел себя одновременно как отражающая и антиотражающая поверхность в зависимости от длины волны света, который проходит через нее.
Когда люминесцентная лампа 2 излучает луч 14 света и он достигает оптического фильтра 7, составляющие длины волны, которые больше чем 540 нм, проходят через него практически без потерь, однако большинство сине-фиолетовых составляющих 14 в диапазоне от 380 нм до 520 нм обратно отражаются в люминесцентный слой 2 нанопроволоками (NEH) слоя 8 из оксида цинка, где его высокая световая энергия разряжается и вновь излучается с большей длиной волны 14’’, что также позволяет ему проходить через слой 8 и подложку 9 практически без потерь, причем в результате это дает большее количество света, излучаемого при больших длинах волны, где человеческий глаз имеет более высокую относительную спектральную чувствительность, что в результате дает большее количество люменов на ватт потребления. Поскольку оптический фильтр 7 обратно отражает видимый свет с высокой энергией не полностью в диапазоне от 350 нм до 450 нм, сине-фиолетовые цвета не полностью устраняются, и, следовательно, коэффициент хроматического воспроизведения флуоресцентной лампы 1 не только не понижается, но несколько увеличивается с 80,3 % до 81,55 %.
Оптический фильтр 7, который показан отдельно на фиг. 4c и 5, обладает следующими оптическими свойствами: отражательная способность от 60% до 90 % в диапазоне от 380 нм до 490 нм; от 60 % до 30 % в диапазоне от 491 нм до 500 нм; от 30 % до 10 % в диапазоне от 501 нм до 530 нм и от 10 % до 0 % в диапазоне от 531 нм до 1100 нм, и поглощательная способность от 60 % до 90 % в диапазоне от 380 нм до 490 нм; от 60% до 30% в диапазоне от 491 нм до 500 нм; от 30 % до 10 % в диапазоне от 501 нм до 530 нм и от 10 % до 0% в диапазоне от 531 нм до 1100 нм.
На фиг. 6 изображено относительное спектральное распределение той же флуоресцентной лампы, что на фиг. 2, функционирующей вместе с оптическим устройством, описанным в настоящем изобретении.
Второй предпочтительный вариант реализации
На фиг. 7 показан вид в сечении настоящего изобретения, когда оно применено к линейному модулю LED-ламп белого света, используемых для общего освещения. Некоторые размеры были увеличены для обеспечения улучшенного понимания его работы. На указанной фигуре 7, модуль 3 представляет собой печатную плату с несколькими полупроводниковыми диодами 1 белого света (LED), установленными на ней и размещенными линейно вдоль нее на одинаковом расстоянии. Каждый LED 1 образован светоизлучающим полупроводником 10 короткой длины волны, на который нанесен люминесцентный слой 2, при этом светоизлучающий полупроводник 10 вырабатывает сине-фиолетовый свет в ширине полосы от 400 нм до 470 нм, причем этот свет разряжается на люминесцентном слое 2, где он преобразуется в свет разных длин волны, который при смешивании дает четко белый свет, однако большое количество световой энергии, выработанной светоизлучающим полупроводником 10, проходит через люминесцентный слой 2 без преобразования. Как показано на фиг. 8, на графике подробно описано излучение световой энергии во всем видимом спектре указанного набора LED, и, как можно увидеть, при 450 нм имеет место пик, который достигает 100 % излучения относительно этой длины волны, однако в соответствии с фиг. 1, при этой длине волны относительная чувствительность человеческого глаза составляет только 2,5 %, таким образом, большинство этого света высокой энергии также растрачивается.
Продолжая ссылаться на фиг. 7, модуль 3 прикреплен к отражателю 4 с помощью винтов 6, при этом отражатель 4 представляет собой жесткую и плоскую металлическую деталь с толщиной от 0,1 мм до 3,0 мм в зависимости от мощности LED-модуля для воздействия, с минимальной диффузной или зеркальной отражательной способностью, составляющей 98 %. Оптический фильтр также соединен с отражателем 4 на минимальном расстоянии 13 не менее чем 2 мм для обеспечения возможности рассеяния тепла, вырабатываемого светоизлучающим полупроводником 10 короткой длины волны и предотвращения его перегрева, а также преждевременного износа люминесцентного слоя 2. Оптический фильтр 7 имеет полукруглую форму с диаметром, который вдвое больше ширины линейного модуля LED-ламп белого света и с двумя горизонтальными боковыми плечами, расположенными на концах полукруга, шириной по меньшей мере 2 мм, образуя единую деталь в форме буквы омега.
На фиг. 9 показан оптический отражатель 4 и отсоединенный модуль 3 оптического фильтра 7, в данном варианте указанный оптический фильтр 7 имеет полукруглую форму с диаметром, который вдвое больше ширины линейного модуля LED-ламп белого света, и имеет два горизонтальных боковых плеча, расположенные на концах полукруга, шириной по меньшей мере 2 мм, образуя единую деталь в форме буквы омега, как в предыдущем варианте реализации, образован подложкой 9, выполнен из прозрачного неорганического материала, например, известково-натриевого или боросиликатного стекла, или из органического материала, например, метилметакрилатной или поликарбонатной термопластичной смолы, с толщиной от 0,1 мм до 1 мм, на которой находится слой 8 с толщиной от 1,5 до 3 микрометров, содержащий оксид цинка, который является активным слоем оптического фильтра 7. В области техники известно, что оксид цинка обладает высокой отражательной способностью в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне и высокой пропускаемостью в видимом диапазоне, однако для корректного функционирования настоящего изобретения, основной отражающий диапазон оксида цинка был несколько продлен до начала видимого диапазона, причем это достигается за счет его исполнения в виде наноструктуры нанопроволок из оксида цинка с константой решетки от 200 нм до 400 нм, коэффициентом заполнения от 0,5 до 0,8 и высотой от 1 до 2 микрометров. На фиг. 5 показан вид в перспективе указанной структуры нанопроволок (NEH) слоя 8, нанесенного на подложку 9, для образования оптического фильтра 7. Показатели преломления подложки 9 и слоя 8 смещены по фазе на 180º для достижения того, чтобы оптический фильтр 7 вел себя одновременно как отражающая и антиотражающая поверхность в зависимости от длины волны света, который проходит через нее.
На указанной фиг. 9, когда люминесцентный слой 2 излучает луч 14 света и он достигает оптического фильтра 7, составляющие длины волны больше чем 540 нм проходят через него практически без потерь, однако большинство сине-зелено-фиолетовых составляющих 14’ в диапазоне от 380 нм до 520 нм обратно отражаются в люминесцентный слой 2 наноструктурой NEH нанопроволок из оксида цинка в слое 8, где его высокая световая энергия разряжается и вновь излучается при большей длине волны 14’’, что также позволяет ему проходить через слой 8 и подложку 9 практически без потерь, причем в результате это дает большее количество света, излучаемого при длинах волны, где человеческий глаз имеет более высокую относительную спектральную чувствительность, что в результате дает большее количество люменов на ватт потребления.
Благодаря тому факту, что оптический фильтр 7 обратно отражает видимый свет с высокой энергией не полностью в диапазоне от 350 нм до 450 нм, сине-фиолетовые цвета не полностью устраняются, и, следовательно, коэффициент хроматического воспроизведения LED-ламп 1 не только не понижается, но несколько увеличивается с 81,10 % до 83,48 %.
В дополнение, линейный модуль LED-ламп белого света расположен за пределами геометрического фокуса полукруглого оптического фильтра, а отражатель на 50 % шире чем линейный модуль LED-ламп белого света и имеет такую же длину, что и он.
Оптический фильтр 7, который показан отдельно на фиг. 7 и 9, который подробно показан на фиг. 5, обладает следующими оптическими свойствами: отражательная способность от 60 % до 90 % в диапазоне от 380 нм до 490 нм; от 60 % до 30 % в диапазоне от 491 нм до 500 нм; от 30% до 10% в диапазоне от 501 нм до 530 нм и от 10 % до 0 % в диапазоне от 531 нм до 1100 нм, и поглощательная способность от 60 % до 90 % в диапазоне от 380 нм до 490 нм; от 60 % до 30 % в диапазоне от 491 нм до 500 нм; от 30% до 10% в диапазоне от 501 нм до 530 нм и от 10 % до 0 % в диапазоне от 531 нм до 1100 нм.
На фиг. 10 показано новое спектральное распределение в видимом диапазоне, вырабатываемое тем же линейным модулем 3 LED-ламп белого света по фиг. 6, при воздействии на него настоящим инновационным оптическим устройством.
В соответствии с описанием изобретения, специалисту в данной области техники будет ясно, что оно может быть модифицировано различными способами. Такие модификации следует считать такими, которые не выходят за рамки сущности и объема изобретения.
В дополнение, описание включает любую комбинацию или подкомбинацию элементов различных видов и/или методов, описанных в настоящем документе. Специалисту в данной области техники будет ясно, что эти признаки, а следовательно и объем настоящего раскрытия, следует интерпретировать в свете нижеследующей формулы изобретения и любых ее эквивалентов.