СПОСОБ СОЗДАНИЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ И ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
METHOD FOR LIGHT-EMITTING SURFACE MANUFACTURING AND LIGHTING UNIT FOR METHOD REALIZATION

Область техники.
Изобретение относится к светотехнике, а именно к светодиодным осветительным устройствам, предназначенным для создания внешнего и внутреннего освещения.
Предшествующий уровень техники.
Для повышения эргономических показателей осветительные устройства не должны создавать слепящих бликов, резких перепадов яркости поверхности излучения, вызывающих ощущение дискомфорта. Указанный эффект является следствием высокой яркости источника излучения и его малых угловых размеров. Наиболее часто эта проблема решается путем рассеяния излучения с помощью различных средств, чаще всего сочетающих в себе как защитно-декоративные функции, так и функции рассеяния света. Высокая яркость мощных светодиодов сопряжена с выходом тепловой энергии, которая образуется в ходе безызлучательной рекомбинации электронов и влияет на стабильность излучательной способности кристалла (Ф.Е.Шуберт, «Светодиоды», М. ФИЗМАТЛИТ, 2008, с.58-59) и на люминофор, размещенный в непосредственной близости от него. Превышение допустимой тепловой нагрузки приводит к температурному тушению и деградации люминофора и срока службы (http://ru.wikipedia.org/wiki/Люминесценция).
Другим путем решения указанной проблемы является распределение первичного излучения по обширной светоизлучающей поверхности, поверхностная яркость которой не вызывает дискомфорта, является достаточной для создания нормируемого уровня освещенности и позволяет создать рабочую температуру для компонентов осветительного устройства.
Известен способ создания обширной светоизлучающей поверхности, включающий генерирование светового потока источником излучения, содержащего ультрафиолетовую составляющую; воздействие этим потоком на частицы люминофора, носителем которого является внутренняя поверхность эллипсоидной оболочки, изготовленной из оптически прозрачного материала; преобразование люминофором ультрафиолетовой части излучения в видимый свет красной области спектра; излучение прямого и преобразованного потоков излучения с внешней поверхности оболочки (З.С.Вознесенская и др., «Электрические источники света», «Госэнергоиздат», Москва, 1957 г., с.186).
Известный способ имеет сходные с изобретением признаки и описывает работу ртутных газоразрядных ламп с исправленной цветностью. Использование частиц люминофора, связанных с оболочкой, вызвано необходимостью корректировки спектра излучения. Форма оболочки, являющейся носителем частиц люминофора, обусловлена необходимостью снижения термического воздействия источника излучения на конструктивные элементы лампы, в частности, на люминофор и стеклянную оболочку. Известный способ является энерго- и трудоемким процессом, к тому же сопряженным с экологически опасными операциями по дозированию ртути в баллон газоразрядного источника света.
Известен способ создания обширной светоизлучающей поверхности, включающий генерирование потока излучения совокупностью единичных источников, каждый из которых направляет поток излучения в телесный угол; воздействие этим потоком на элемент поверхности люминесцентного покрытия, нанесенного на пластину из оптически прозрачного материала; преобразование длины волны части излучения люминофором; излучение прямого и преобразованного потоков источника излучения с элемента поверхности dS пластины; интегрирование элементарных световых потоков со всей светоизлучающей поверхности S пластины (патент РФ №2301475, МПК Н01J 63/06, опубл. 20.06.2007).
Известное решение направлено на создание равномерной яркости свечения обширной плоской поверхности. В качестве единичного источника излучения в известном решении использован светодиод. Рассеяние излучения светодиода происходит в слое люминофора, площадь облучаемой поверхности dS на котором определяется величиной телесного угла dQ. При этом и после рассеяния падающего излучения поверхностная яркость площадки dS остается неравномерной и убывает по мере удаления от оптической оси светодиода, что приводит к неравномерной светимости всей светоизлучающей поверхности S. Предварительная корректировка распределения потока излучения с помощью линзы ведет к удорожанию светодиодов, усложнению производства осветительных устройств и не всегда оправдана экономически.
Известно устройство для создания обширной светоизлучающей поверхности, содержащее корпус; источник излучения, размещенный внутри корпуса; пластину из оптически прозрачного материала, размещенную напротив источника излучения и снабженную люминофорным покрытием (патент РФ №2301475, МПК Н01J 63/06, опубл. 20.06.2007).
Недостатком известного решения является неравномерность светимости светоизлучающей поверхности, обусловленная убывающей яркостью по мере удаления от оси пучка излучения, падающего на облучаемую поверхность. Кроме того, использование пластины существенно ограничивает возможные области применения известного устройства.
Известен патент, в котором описано светоизлучающее устройство, включающее светодиодный источник света ультрафиолетовой области спектра и планарное тело, выполненное из оптически прозрачной смолы, содержащей распределенные частицы люминофора и аккумулирующих свет веществ совместно с пропускающими свет неорганическими частицами (патент РФ №2319063, МПК F21V 9/00, опубл. 10.06.2006).
2
Достоинством известного решения является использование невидимого наблюдателю источника излучения. В качестве недостатка этого решения можно отметить конструктивную сложность многокомпонентной панели, изготовление которой само по себе представляет сложную техническую проблему и, скорее всего, являющейся дорогим изделием. Кроме того, декларированная в описании сила света 15,5 кд/м представляется явно недостаточной для создания осветительных устройств, предназначенных для общего освещения.
Известно устройство для общего и местного освещения, содержащее светодиоды ультрафиолетового излучения, расположенные по оси оптически прозрачной трубки, на поверхности которой нанесен слой люминофора, преобразующий невидимое излучение в видимый свет (патент № JP 2002133910, МКИ F21S 8/04, опубликован 10.05.2002).
Недостатком известного решения является размещение источников излучения в узкой закрытой с торцов трубе, что ограничивает выбор формы светоизлучающей поверхности.
Кроме того, от светодиодов в трубе сложно отводить тепло, а перегрев светодиодов снижает их светоизлучательную способность. Скорее всего известная конструкция предназначена для использования маломощных светодиодов и не способна создать уровень освещенности, необходимый для общего освещения.
Известна осветительная система, содержащая корпус, средства соединения с источником электрического питания; ряд светоизлучающих диодов установленных внутри корпуса и излучающих длину волны для возбуждения люминофора, восприимчивого к ультрафиолетовой области электромагнитного спектра; средство преобразования напряжения для использования указанных светоизлучающих диодов; прозрачную пластину, имеющую внутреннюю поверхность и покрытую люминофором, сквозь которую проходит возбужденный люминофором свет, видимый невооруженным глазом (патент США №6068383, МКИ F21S 8/04, опубл. 30.05.2000).
Недостатком известного аналога являются потери светового потока, излучаемого светодиодами в стороны от оптической оси, а также неравномерная светимость светоизлучающей поверхности, обусловленная убывающей яркостью падающего на облучаемую поверхностность светового потока по мере удаления от его оптической оси и отсутствием средств выравнивания поверхностной яркости светоизлучающей поверхности и цвета свечения.
Техническим результатом изобретения являются повышение равномерности цвета и яркости светоизлучающей поверхности, снижение термического воздействия на люминофор и расширение технологических возможностей для конструирования осветительных устройств.
Способ создания светоизлучающей поверхности характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:
Способ создания светоизлучающей поверхности, включающий генерирование светового потока источником излучения; облучение этим потоком первого средства преобразования излучения, выполненного в виде частиц люминофора, носителем которых является оболочка, охватывающей источник излучения и изготовленная из оптически прозрачного материала, отличающийся тем, что преобразованное люминофором излучение рассеивают вторым средством преобразования излучения, выполненным в виде светорассеивающих элементов, размещенных внутри или на поверхности пластины, изготовленной из оптически прозрачного материала, а в качестве светоизлучающей поверхности используют внешнюю сторону этой пластины.
Осветительное устройство, реализующее способ создания светоизлучающей поверхности характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:
Осветительное устройство, содержащее, по меньшей мере, один источник излучения; первое средство преобразования излучения, образованное частицами люминофора, размещенными на оболочке, выполненной из оптически прозрачного материала, отличающееся тем, что снабжено светоотражающей структурой, установленной с возможностью формирования направления излучения первого средства преобразования излучения, при этом расстояние между первым средством преобразования излучения и светоотражающей структурой не превышает 40 мм; вторым средством преобразования излучения, выполненным в виде светорассеивающих элементов, размещенных внутри или на поверхности пластины из оптически прозрачного материала, установленной таким образом, что расстояние от пластины до светоотражающей структуры не превышает 50 мм, при этом в качестве светоизлучающей поверхности использована внешняя сторона упомянутой пластины.
Под существенным признаком, сформулированным как "первое средство преобразования потока излучения", в данном изобретении подразумевается совокупность частиц люминофора, пространственное расположение которых определяется конфигурацией той детали, в объеме или на поверхности которой указанные частицы содержатся.
В качестве развивающих и/или уточняющих признаков следует указать следующие особенности изобретения:
- состав частиц люминофора первого средства преобразования излучения выбран с возможностью создания светового потока в видимой части спектра;
- первое средство преобразования излучения включает частицы люминофора, обладающие эффектом послесвечения, которые не только способствуют выравниванию светового потока, но и позволят получить дополнительный технический результат в виде аварийно-эвакуационного освещения;
- первое средство преобразования излучения размещено на поверхности и/или в материале оптически прозрачной оболочки, охватывающей светодиодный излучатель, являющейся конструкционным носителем первого средства преобразования излучения;
- оболочка, охватывающая светодиод, выполнена в виде полой, трехмерной фигуры, толщина стенки которой зависит от оптических свойств материала и определяется с учетом минимально возможных потерь потока излучения и технологических возможностей ее изготовления, при этом оптимальными следует считать выполнение этого варианта оболочки в виде полусферы или параболоида вращения;
- первое средство преобразования потока излучения включено в оболочку и установлено на расстоянии h1 мм от светоотражающей структуры, величина которого выбрана из интервала 0≤h1≤40, с целью выравнивания яркости пограничных участков световых пятен, за счет наложения световых волн от соседних источников излучения;
- второе средство преобразования излучения выполнено в виде пластины, внутри или на одной из поверхностей которой размещены светорассеивающие элементы, и которая одновременно с рассеянием светового потока и выполнением светоизлучающей функции является защитным элементом осветительного устройства;
- поверхностные светорассеивающие элементы выполнены в виде регулярно повторяющегося рельефа, не имеющего острых ребер, например, в виде полусфер;
- пластина второго средства преобразования размещена на расстоянии h2 от первого средства преобразования излучения, носителем которого является прозрачная оболочка, при этом h2 не превышает 50 мм, а выбор расстояния с учетом указанных условий позволяет выравнивать освещенность поверхности пластины и нивелировать отличия в цвете излучении;
- светоотражающая структура образована рефлекторами, снабженными светорассеивающей поверхностью, каждый из которых размещен вокруг одного из светодиодных излучателей;
- светоотражающая структура содержит регулярно расположенные рефлекторы, поверхность которых углублена в плату, при этом светодиод расположен в указанном углублении и снабжен первым средством преобразования излучения, а второе средство преобразования излучения выполнено в виде пластины, установленной на расстоянии Н от платы, величина которого не превышает 50 мм;
- поверхность рефлекторов выполнена конической, а ее направляющая является n-угольником, где 4≤n≤∞;
- направляющая рефлекторов выбрана в виде равностороннего четырехугольника, или шестиугольника, или окружности, что технологически является наиболее удобным вариантом конструкции светоотражающей структуры;
- светодиодные излучатели сгруппированы в линейные кластеры, снабженные линейными рефлекторами, образующими светоотражающую структуру, при этом выполнение кластеров линейными позволяет расширить возможные варианты воплощения изобретения и повысить технологичность конструкции;
- линейный рефлектор имеет трапецеидальный, параболический или полукруглый профиль, что технологически является наиболее удобным вариантом конструкции светоотражающей структуры в случае расположения светодиодных излучателей в виде линейных кластеров.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами, иллюстрирующими способ создания светоизлучающей поверхности и варианты воплощения способа в конкретных осветительных устройствах:
на фиг.1 показана схема создания светоизлучающей поверхности в случае размещения первого средства преобразования излучения в оболочке по форме близкой к плоскости;
на фиг.2 показана схема создания светоизлучающей поверхности в случае размещения первого средства преобразования излучения в объемной оптически прозрачной оболочке;
на фиг.3 приведен фрагмент вида сверху осветительного устройства, схема которого показана на фиг.1, светоотражающая структура которого образована рефлекторами в виде равносторонней четырехгранной пирамиды;
на фиг.4 показан фрагмент вида сверху осветительного устройства, показанного на фиг.2, светоотражающая структура которого образована рефлекторами в виде прямого кругового конуса;
на фиг.5 показан вид сверху осветительного устройства с линейными кластерами светодиодов и светоотражающей структуры в виде линейных рефлекторов;
на фиг.6 показан вид сверху осветительного устройства с линейным кластером светодиодов, заключенных в трехмерную оболочку и светоотражающая структура в виде линейных рефлекторов;
на фиг.7 показан вид сбоку варианта осветительного устройства, содержащего рефлекторы, размещенные в углублениях платы вокруг светодиодных излучателей.
Краткое описание чертежей.
Осветительное устройство (фиг.1) содержит светодиодный излучатель 1, размещенный на плате 2, светоотражающую структуру 3, оболочку 4, близкую к плоской по форме, размещенную на расстоянии h1 от светоотражающей структуры 3 и снабженную первым средством преобразования излучения в виде частиц люминофора 5, включенных в материал оболочки. 4, второе средство преобразования излучения в виде пластины 6, размещенной на расстоянии h2 от оболочки 4 и снабженной структурированной поверхностью 7.
Осветительное устройство (фиг.2) содержит светодиодный излучатель 1, размещенный на плате 2; первое средство преобразования излучения-частицы люминофора 5 (на фиг.2 не показаны), заключенные в материале оболочки 4, охватывающей светодиодный источник 1; светоотражающую структуру 3; второе средство преобразования излучения в виде пластины 6, размещенной на расстоянии Н от светоотражающей структуры 3, снабженной структурированной поверхностью 7.
Осветительное устройство (фиг.3), реализующее способ создания светоизлучающей поверхности, показанный на схеме фиг.1, содержит светодиодный излучатель 1, реализованный в виде, например, полупроводниковых кристаллов, смонтированных на плате 2. Размещенные по ходу преобразования потока излучения светоотражающая структура 3, содержащая рефлекторы 9 у каждой группы источников излучения 1; оптически прозрачную оболочку 4, снабженную первым средством преобразования излучения в виде частиц люминофора (на фиг.3 не показаны); светорассеивающую пластину 6, имеющую светоизлучающую поверхность 7, снабженную регулярно повторяющимся рельефом.
Осветительное устройство (фиг.4), реализующее способ создания светоизлучающей поверхности, показанный на схеме фиг.2, содержит светодиодные излучатели (на фиг.4 не показаны), смонтированные на плате (на фиг.4 не показана) и размещенные по ходу преобразования потока излучения: оптически прозрачную оболочку 4, снабженную частицами люминофора (на.фиг.4 не показаны); светоотражающую структуру 3, содержащую рефлекторы 9 для каждой оболочки 4; светорассеивающую пластину 6, имеющую светоизлучающую поверхность 7, снабженную регулярно повторяющимся рельефом.
Осветительное устройство (фиг.5), реализующее способ создания светоизлучающей поверхности по схеме фиг.1, содержит светодиодные излучатели 1, сгруппированные в виде линейных кластеров, смонтированных на плате 2 и снабженных светоотражающей структурой 3, содержащей линейные рефлекторы 9, размещенные вдоль соответствующих линейных кластеров светодиодных излучателей 1. Далее по ходу потока излучения размещены: оптически прозрачная оболочка 4 с частицами люминофора (на фиг.5 не показаны), накрывающая кластеры светодиодов 1, и светорассеивающая пластина 6, имеющая светоизлучающую поверхность 7, снабженную регулярно повторяющимся рельефом.
Осветительное устройство (фиг.6), реализующее способ создания светоизлучающей поверхности, показанный по схеме фиг.2, содержит светодиодные излучатели (на фиг.6 не показаны), размещенные на платах (на фиг.6 не показаны) в полости оптически прозрачной оболочки 4, включающей первое средство преобразования излучения оболочки - частицы люминофора (на фиг.6 не показаны). Группа указанных оболочек 4 размещена на одной линии и снабжена линейными рефлекторами 9 светоотражающей структуры 3, установленными вдоль соответствующего ряда оболочек 4. Далее по ходу отраженного от поверхности рефлекторов 9 потока излучения установлена светорассеивающая пластина 6, имеющая светоизлучающую поверхность 7, снабженная регулярно повторяющимся рельефом.
Еще один вариант осветительного устройства, реализующий способ создания светоизлучающей поверхности, показан на фиг.7.
Светоотражающая структура 3 включает регулярно расположенные рефлекторы 9, поверхность каждого из которых углублена в плату 2; первое средство преобразования излучения-частицы люминофора 5, размещенные внутри или на поверхности оболочки 4, размещенной на расстоянии h3 не более 40 мм от поверхности светоотражающей структуры 3. Второе средство преобразования излучения, выполненное в виде светорассеивающей пластины 6, размещено на расстоянии h2 от оболочки 4, при этом h2 не превышает 50 мм.
Промышленная применимость
Детали и узлы для осветительного устройства могут быть изготовлены известными способами. Информации, изложенной в описании, достаточно для понимания специалистом принципа работы и конструкции устройств, реализующих способы создания светоизлучающей поверхности.