СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР
LIGHT-EMITTING DEVICE AND LIGHTING UNIT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к области осветительной конструкции и, в частности, к светоизлучающему устройству и осветительному прибору согласно преамбуле независимых пунктов формулы изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционные накальные источники света снабжены вольфрамовой нитью накала, которая изготавливается для того, чтобы светиться при пропускании через нее электрического тока. Нить накала обычно подвешена вблизи центра стеклянной колбы, тем самым обеспечивая интенсивность света, которая является почти постоянной во всех радиальных направлениях. Радиальное распределение света совместно с высокой яркостью нити накала в свое время сделали популярными накальные источники света для общих целей освещения, например для использования в люстрах. Кристаллы в люстрах демонстрируют эффекты сверкающего света, которые рассматриваются как высоко декоративные.
Однако накальные источники света страдают от таких недостатков, как короткий срок службы и высокое энергопотребление.
Замена накальных источников света светодиодными источниками света может сгладить или устранить вышеозначенные проблемы и обеспечить значительное повышение эффективности. Однако большинство СИД способны излучать свет только в полусферу (телесный угол, Ω=2π sr), тогда как накальные источники света, использующие светящуюся нить накала, обычно излучают свет однородно почти в полную сферу (телесный угол, Ω=4π sr).
В US 7352510 раскрыто устройство, содержащее первый и второй компоненты смешивания света, которые оптически связаны оптическим фокусирующим элементом, для создания светового пучка однородной интенсивности и освещенности от одно- или многоцветного источника, например матрицы СИД. Первый элемент смешивания света создает однородное распределение освещенности от многоцветного источника, тогда как распределение интенсивности света остается неоднородным. Фокусирующий элемент и второй компонент смешивания света используются для гомогенизации распределения интенсивности светового пучка, принятого от первого элемента смешивания света, тогда как распределение интенсивности относительно оптической оси остается, по существу, неизменным.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ввиду вышеизложенного, задачей настоящего изобретения является обеспечение светоизлучающего устройства и соответствующего осветительного прибора, которые способны перераспределять свет от источников света, имеющих узкое или ограниченное распределение интенсивности света, и выводить свет с, по меньшей мере, более широким пространственным распределением интенсивности света.
Эта задача успешно выполняется посредством светоизлучающего устройства и соответствующего осветительного прибора согласно независимым пунктам формулы изобретения.
Таким образом, согласно аспекту настоящего изобретения предусмотрено светоизлучающее устройство, содержащее световой узел, имеющий по меньшей мере один источник света и световодный узел. Световодный узел содержит участок ввода света для приема света от источника света, участок вывода света и участок смешивания света. Участок смешивания света скомпонован между участком ввода света и участком вывода света. Кроме того, участок вывода света имеет форму воронки, имеющей основание, которое скомпоновано для приема света из участка смешивания света, и содержит верхнюю поверхность, которая является выгнутой, и нижнюю поверхность, которая является вогнутой. Участок вывода света дополнительно скомпонован для того, чтобы обладать кольцевой поверхностью вывода света. Верхняя поверхность и нижняя поверхность участка вывода света определяют световодный путь от основания к кольцевой поверхности вывода света.
Таким образом, предусмотрено светоизлучающее устройство, которое скомпоновано для преобразования света, имеющего узкое угловое распределение интенсивности света, в свет с более широким угловым распределением интенсивности света. Свет от по меньшей мере одного источника света смешивается на участке смешивания света и затем однородно вводится в участок вывода света в форме воронки, который скомпонован для того, чтобы направлять и выводить свет через кольцевую выходную поверхность. Конфигурация, таким образом, позволяет использовать источник света с узким угловым распределением интенсивности света, получая, тем не менее, выходное угловое распределение интенсивности света, по существу, аналогичное распределению интенсивности света накального источника света, что желательно, например, в осветительных применениях общего назначения. Раскрытое светоизлучающее устройство можно применять для того, чтобы заменить современные лампы накаливания и использовать в качестве источников света высокой яркости, например, в люстрах.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства по меньшей мере один источник света является светодиодом, СИД. СИД обеспечивают большое количество преимуществ, например длительный срок службы, низкое энергопотребление, малый размер и т.д. Согласно идее настоящего изобретения СИД можно выгодно использовать в осветительных приложениях, где СИД традиционно были непригодны ввиду их ограниченного углового распределения интенсивности света.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства поперечное сечение участка смешивания света имеет шестиугольную или квадратную форму. Эти конфигурации вводят поправку на высокоэффективное смешивание введенного света.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства верхняя поверхность скомпонована как вывод света. В этой конфигурации, в дополнение к кольцевому выводу света, верхняя поверхность участка вывода света в форме воронки способствует более полному угловому профилю интенсивности выходного света из светоизлучающего устройства.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства длина участка смешивания света скомпонована так, что позволяет регулировать цветовую однородность света заранее определенного цвета. Длина участка смешивания света предпочтительно используется для регулировки желаемой цветовой однородности, когда световой узел скомпонован с многочисленными источниками света разных цветов. Например, источники света могут представлять собой комбинации СИД разных цветов, например холодного белого совместно с теплым белым, холодного белого совместно с желтым, красного, зеленого и синего (RGB) или красного, зеленого, синего и желтого (RGBA).
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства, по меньшей мере, подобласть поверхности участка смешивания света скомпонована для того, чтобы обладать оптической микроструктурой для усиления смешивания света на участке смешивания света. Благодаря усилению свойств смешивания света участка смешивания света, длину участка смешивания света можно уменьшить. Таким образом, можно уменьшить размер светоизлучающего устройства, тем не менее, получая желаемое смешивание света.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства кольцевая поверхность вывода света скомпонована перпендикулярно участку ввода света. Таким образом, участок вывода света в форме воронки переносит свет по меньшей мере одного источника света к кольцевой поверхности вывода света и изменяет главное направление света и распределяет его на 90 градусов во всех направлениях, что ведет к тороидальному распределению интенсивности света для выходного света. Для более полного распределения участок вывода света можно, альтернативно, скомпоновать так, чтобы некоторое количество света могло выходить из верхней поверхности воронки.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства световой узел дополнительно содержит по меньшей мере один коллимационный элемент. Профиль излучения света, выводимого из источников света, влияет на окончательное угловое распределение света, выводимого из устройства. Коллимация света из по меньшей мере одного источника света до входа в участок смешивания света позволяет усиливать управление угловым распределением интенсивности света для света, выводимого из светоизлучающего устройства. Благодаря правильной коллимации, по существу, весь свет, вводимый в участок ввода света, можно транспортировать и выводить через кольцевую поверхность вывода света. Кроме того, коллимация может быть предпочтительно использована для повышения коэффициента передачи оптической мощности для света, принимаемого участком ввода света.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства кольцевая поверхность вывода света искривлена. Посредством такой конфигурации угловым распределением интенсивности света можно управлять дополнительно. Угловое распределение интенсивности света можно отклонять для обеспечения более полного углового распределения интенсивности света. Нужное распределение интенсивности может быть достигнуто дополнительно посредством проектирования соответствующей кривизны кольцевой поверхности вывода света. Кривизну можно выбирать, например, согласно кривой Бельцера.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства кольцевая поверхность вывода света по меньшей мере, частично, скомпонована с дополнительной поверхностной структурой, которая, предпочтительно, позволяет дополнительно управлять или манипулировать свойствами выходного света.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства дополнительная поверхностная структура представляет собой одну из преломляющей структуры, голографической структуры, тонкого покрытия частицами и шероховатой поверхности для адаптации выходного света, пригодного к заранее определенному осветительному применению. Например, кольцевую поверхность вывода света можно снабдить структурой прямого рассеяния, которая распределяет угловое распределение интенсивности для падающих лучей в ламбертов профиль, желательный для большинства осветительных применений. Этого можно эффективно достигать посредством голографической структуры.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства световой узел дополнительно содержит отражатель. Отражатель может быть скомпонован для того, чтобы отражать свет от источников света, по направлению к участку смешивания света, таким образом, увеличивая количество света, вводимого в участок смешивания света, и, таким образом, впоследствии увеличивая суммарный световой поток, выходящий из светоизлучающего устройства.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства устройство дополнительно приспособлено к модернизации в осветительный прибор, использующий накальный источник света. Таким образом, устройство, отвечающее настоящему изобретению, может предпочтительно быть использовано для замены накального источника света или для приспосабливания к осветительной конструкции, обычно используемой для накальных источников света, например ламп на основе нити накала, галогенных ламп и т.д., что является преимуществом, поскольку пользователь может легко заменять дорогостоящие и неэффективные накальные источники света в существующих осветительных приборах на светоизлучающие устройства в соответствии с настоящей идеей изобретения.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предусмотрен осветительный прибор, содержащий по меньшей мере одно светоизлучающее устройство. Осветительный прибор демонстрирует соответствующие преимущества, описанные для светоизлучающего устройства.
Эти и другие аспекты, признаки и преимущества изобретения окажутся очевидными и разъясненными из описанных ниже вариантов осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет описано ниже более подробно и со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых одинаковые или схожие элементы обозначены одинаковыми позициями.
Фиг.1a - схематический вид в разрезе светоизлучающего устройства, отвечающего варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1b - схематический вид сбоку в перспективе светоизлучающего устройства, отвечающего варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1c - схематический вид сбоку в перспективе светоизлучающего устройства, отвечающего варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - иллюстрирует примерный профиль интенсивности света углового распределения интенсивности в дальнем поле для света, излучаемого из светоизлучающего устройства, отвечающего варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3a - схематический вид сбоку в перспективе светоизлучающего устройства, отвечающего варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3b - увеличенный вид детали участка вывода света светоизлучающего устройства, отвечающего варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3c - иллюстрирует примерный профиль интенсивности света углового распределения интенсивности в дальнем поле для света, излучаемого из светоизлучающего устройства, отвечающего варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 - иллюстрирует примерную лампу, содержащую светоизлучающее устройство, отвечающее настоящему изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже более подробно и со ссылкой на прилагаемые чертежи, где изображены определенные варианты осуществления изобретения. Однако это изобретение можно реализовать во многих разных формах, и оно не должно ограничиваться изложенными здесь вариантами осуществления. Варианты осуществления представлены посредством примера так, что это раскрытие будет исчерпывающим и завершенным и будет полностью передавать объем изобретения специалистам в данной области. Чертежи снабжены сквозной системой обозначений.
На Фиг.1a показан схематический вид в разрезе светоизлучающего устройства, отвечающего варианту осуществления настоящего изобретения. Светоизлучающее устройство 100 содержит световой узел 101, который скомпонован для того, чтобы обладать двумя источниками 102 света. Источники света установлены на отражателе 103. В этом примерном варианте осуществления в качестве источников 102 света используются ламбертовы СИД. Ламбертов СИД это оптический источник, подчиняющийся косинусному закону Ламберта,
I=I<sub>0</sub>cos(α)
Уравнение 1
0
где α - угол наблюдения, I- интенсивность света при α=0, т.е. перпендикулярно к СИД.
Из Ур. 1 следует, что интенсивность света при угле наблюдения, близком к α=90°, очень мала. Примерами коммерчески доступных ламбертовых СИД являются СИД Luxeon Rebel или Luxeon K2.
Заметим, что другие типы и количества источников света применимы в светоизлучающем устройстве и считаются соответствующими объему настоящей идеи изобретения. Кроме того, другие цвета источников света и/или комбинации цветов источников света применимы в светоизлучающем устройстве согласно настоящему изобретению.
Кроме того, светоизлучающее устройство 100 содержит световодный узел 110, который содержит удлиненный участок 120 смешивания света и участок 112 вывода света. Участок 120 смешивания света может иметь, например, цилиндрическую форму. Участок 120 смешивания света скомпонован на световом узле 101. Он дополнительно скомпонован для того, чтобы принимать свет, излучаемый источниками 102 света на первом конце через участок 111 ввода света, например поверхность участка смешивания света, и смешивать принятый свет по мере его перемещения через участок 120 смешивания света и вдоль главной оптической оси oa, проходящей вдоль и параллельно участку 120 смешивания света, и затем чтобы однородно ввести смешанный свет в участок 112 вывода света.
Подходящими материалами для световодного узла 110 могут быть прозрачные полимеры, например поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат (ПММА), полиэтилентерефталат (ПЭТ), акриловые смолы, стекло или любая их комбинация.
Участок 112 вывода света имеет форму воронки. Основание 117 участка 112 вывода света скомпоновано для того, чтобы принимать смешанный свет из участка 120 смешивания света. Кроме того, нижняя поверхность 114 и верхняя поверхность 113 участка 112 вывода света в форме воронки определяют круговой путь света для перемещения света. Кольцевая поверхность 115 вывода света скомпонована на верхнем краю воронкообразного участка 112 вывода света, тем самым обеспечивая поверхность вывода света для пути света, определенного верхней поверхностью 113 и нижней поверхностью 114, по которому распространяется свет. В этом иллюстративном варианте осуществления, кольцевая поверхность 115 вывода света является плоской поверхностью, скомпонованной перпендикулярно оптической оси. Верхняя поверхность 113 и нижняя поверхность 114 в этом иллюстративном варианте осуществления искривлены, а именно верхняя поверхность 113 выгнута, а нижняя поверхность 114 вогнута.
В альтернативных вариантах осуществления плоская поверхность может быть скомпонована для того, чтобы обладать другим заранее определенным углом относительно оптической оси (не показана). Например, заранее определенный угол свыше 90° обеспечивает эффективный способ компоновки более низкой осветительной системы (например, 60% потока ниже “горизонта” и 40% потока выше горизонта). Таким же образом можно получить верхнюю осветительную систему, скомпоновав заранее определенный угол меньшим 90 градусов.
xy
xy
Согласно Фиг.1b, где показан схематический вид сбоку в перспективе светоизлучающего устройства, отвечающего варианту осуществления настоящего изобретения, участок 120 смешивания света имеет шестиугольное поперечное сечение, при просмотре в плоскости . Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства, показанному на Фиг.1c, участок 120 смешивания света имеет квадратное поперечное сечение, при просмотре в плоскости . Обе эти формы поперечного сечения обеспечивают эффективное смешивание света для смешивания света разных цветов.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства участок 120 смешивания света, опционально, снабжен оптической микроструктурой для усиления свойств смешивания света участка 120 смешивания света. Оптическая микроструктура может компоноваться на поверхности 120a участка 120 смешивания света, см. Фиг.1a. Усиливая свойства смешивания света, можно сократить необходимую длину участка 120 смешивания света.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства длина участка 120 смешивания света скомпонована с возможностью регулировки цветовой однородности света заранее определенного цвета. В порядке иллюстрации, длину участка смешивания света можно регулировать для обеспечения хорошего смешивания света от света холодно-белого СИД и желтого СИД. Таким образом, смешанный свет может достигать цветовой однородности, пригодной для имитации внешних признаков лампы накаливания.
На Фиг.2 показан иллюстративный профиль интенсивности света, угловое распределение интенсивности света в дальнем поле I(θ, φ) в проекции на плоскость xz света, излучаемого из светоизлучающего устройства 100 вышеописанного светоизлучающего устройства, в соответствии с настоящим изобретением. Здесь θ обозначает полярный угол относительно оси z, и φ обозначает азимутальную координату в плоскости xy относительно оси x. В этом иллюстративном варианте осуществления, ось z совпадает с осью z и ориентация устройства изображена на Фиг.1a и 2 обозначениями A и B для указания положения верней и нижней частей светоизлучающего устройства, соответственно. Полной трехмерной интенсивностью является поверхность вращения вокруг оси z.

Профили распределения интенсивности света, показанные на Фиг.2 и 3c, сформированы путем моделирования варианта осуществления 100, представленного на Фиг.1b и 3, соответственно, с использованием программного обеспечения трассировки лучей от Optical research Associates (LightTools).
Основная часть света, вводимого из участка 112 смешивания света в участок вывода света, выводится через кольцевую поверхность 115 вывода света. Однако верхняя поверхность 113 согласно вариантам осуществления светоизлучающего устройства 100 скомпонована для того, чтобы обеспечивать дополнительный световой вывод. Поэтому, например 10-20% света может выводиться через верхнюю поверхность 113, что, следовательно, способствует увеличению ширины углового профиля интенсивности света. В угловом распределении интенсивности света согласно иллюстративному варианту осуществления, который описан со ссылкой на Фиг.1b и угловое распределение интенсивности света которого представлено на Фиг.2, вклад света, выводимого из верхней поверхности 113, представлен распределением интенсивности вдоль оптической оси (направление к A на Фиг.2).
Профиль излучения источников 102 света может влиять на угловой профиль интенсивности света для света, выводимого из светоизлучающего устройства 100, 200.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства световой узел 101 дополнительно снабжен коллимационным элементом (не показан), который представляет собой, например, коллимационную линзу или зеркало, для усиления управления угловым распределением интенсивности света для света, выводимого из светоизлучающего устройства 100, 200.
В альтернативном варианте осуществления светоизлучающего устройства малое искривление нижней поверхности 114 и верхней поверхности 113 скомпоновано так, чтобы гарантировать то, что, по существу, весь свет, вводимый в участок 112 вывода света, направляется через искривленную световодную деталь и затем выводится через кольцевую поверхность 115 вывода света. В иллюстративных вариантах осуществления, кольцевая поверхность 115 вывода света ориентирована под углом около 90 градусов к основанию 117 участка 112 вывода света, а также к участку 111 ввода света. Элемент в форме воронки переносит свет по меньшей мере одного источника света, например (ламбертова) СИД источника, к кольцевой поверхности 115 вывода света и, таким образом, изменяет главное направление света на ~90 градусов во всех направлениях. Это ведет к тороидальному распределению интенсивности света для выходного света (см. фиг.2). Для обеспечения полного распределения допускается, что некоторая часть света выходит из верхней поверхности 113 участка вывода света в форме воронки.
В другом иллюстративном варианте осуществления светоизлучающего устройства, представленном на Фиг.3a, раскрыто светоизлучающее устройство 200, обеспечивающее почти идеальное всенаправленное угловое распределение интенсивности света. Устройство 200 содержит световой узел 101 и световодный узел 110, и, в своей основной конструкции, сконфигурировано аналогично предыдущему иллюстративному варианту осуществления, описанному со ссылкой на Фиг.1b. Световой узел 101 скомпонован для того, чтобы обладать отражающей полостью 103, в которой компонуются два СИД (ламбертовы с резким отсечением на 2×30 градусов). Свет от источников света коллимируется коллимационной структурой (не показана) до ввода в участок 120 смешивания света.
2
2
Кроме того, участок 112 вывода света скомпонован для того, чтобы обладать искривленной кольцевой поверхностью 215 вывода света, смотри увеличенный вид на Фиг.3b. Искривленная кольцевая поверхность 215 вывода описывается кривой Безье. В альтернативных вариантах осуществления применимы другие формы искривленной кольцевой поверхности 215 вывода. Поверхность 215 вывода света дополнительно скомпонована для того, чтобы обладать структурой прямого рассеяния, которая распределяет падающий свет в ламбертов профиль. Структура прямого рассеяния в данном случае является голографической структурой. В альтернативных вариантах осуществления, тонкий слой частиц, например частиц TiO, ZrO, или пористого полимера, или шероховатая структура могут быть скомпонованы на поверхности 215 вывода света для перераспределения углового распределения интенсивности света.
Преломляющие и/или голографические структуры можно включать в состав устройства при его изготовлении, например при использовании инжекционного формования путем снабжения литейной формы соответствующими структурами. Тонкие слои частиц можно компоновать тонкопленочными методами, методом напыления и т.д.
На Фиг.3c показан иллюстративный профиль интенсивности света углового распределения интенсивности света в дальнем поле для света, излучаемого из светоизлучающего устройства 200, отвечающего варианту осуществления настоящего изобретения. Здесь распределение интенсивности света является почти всенаправленным с, по существу, равномерным угловым распределением интенсивности света.
Настоящее изобретение дополнительно относится к осветительному прибору, содержащему вышеописанное светоизлучающее устройство 100, 200.
Согласно варианту осуществления светоизлучающего устройства устройство дополнительно приспособлено к модернизации в осветительный прибор, предназначенный для использования накального источника света, т.е. приспособленного для вставки в осветительную конструкцию, обычно используемую для накальных источников света, например ламп на основе нити накала, галогенных ламп и т.д. Эта замена накального источника света в таких осветительных приборах на светоизлучающее устройство согласно настоящему изобретению становится возможной.
На Фиг.4 показан иллюстративный вариант осуществления светоизлучающего устройства, приспособленного к модификации 400. Светоизлучающее устройство 400 скомпоновано для того, чтобы обладать цоколем 401 для включения в осветительную конструкцию, обычно используемую для накальных источников света. Цоколь 401 скомпонован для того, чтобы взаимодействовать механическим и электрическим образом со светоизлучающим устройством 100, 200. Цоколь 401 дополнительно помогает устранять тепло, выделяемое источниками света. Альтернативно, световой узел 101 скомпонован для того, чтобы обладать отдельным теплоотводом (не показан). Светоизлучающее устройство 400, опционально, скомпоновано со стеклянной колбой 402, например, для создания впечатления пламени свечи в люстре и для защиты оптического элемента от прикосновений, пыли и грязи.
Вышеописанные варианты осуществления светоизлучающего устройства согласно настоящему изобретению отражены в формуле изобретения. Их следует рассматривать как неограничительные примеры. Специалисты в данной области техники могут предложить многочисленные модификации и альтернативные варианты осуществления в рамках объема изобретения.
Заметим, что, в целях данной заявки и, в частности, в связи с прилагаемой формулой изобретения, слово “содержащий” не исключает наличия других элементов или этапов, и употребление названий элементов или этапов в единственном числе не исключает наличия их множества, что, само собой, очевидно специалисту в данной области техники.