УСТРОЙСТВО ОСВЕЩЕНИЯ
ILLUMINATION DEVICE

Изобретение относится к устройству освещения с электролюминесцентным слоем и подложкой, сконструированному так, чтобы одновременно излучался рассеянный и прямой (направленный) свет.
Электролюминесцентные устройства, так называемые светодиоды (LED), являются недорогими тонкими световыми источниками. В особенности идеально подходящими для освещения большой площади являются органические светодиоды (OLED). Светодиоды могут широко использоваться в общем освещении, сигнализации, передвижном освещении и задней подсветке дисплеев. Органические светодиоды обычно содержат один или более светоизлучающих органических слоев, расположенных между отражательным электродом, обычно катодом, и прозрачным электродом, обычно анодом, сформированных на прозрачной подложке. Светоизлучающий органический слой излучает свет при подаче напряжения между электродами. Обычно рассеянный свет, излучаемый органическим светодиодом, удобен для некоторых применений, таких как освещение в офисе, но имеет недостатки, например, при местном освещении, прожекторном освещении или настольном освещении.
Современные обычные прожекторные или настольные лампы имеют изогнутые отражатели и/или линзы вокруг небольшого обычного источника света для получения направленного сета. Эти отражатели и линзы являются дорогими, могут быть тяжелыми и занимать значительный объем. Документ US 2004/0042198 описывает непиксельное органическое светоизлучающее устройство, включающее набор элементарных линз, расположенных на подложке органического светодиода, для концентрации проходящего света в требуемом направлении, который мог бы использоваться как источник направленного света.
Однако не существует источника света, способного излучать рассеянный и направленный свет одновременно, например объединенного устройства освещения с единым световым источником для освещения комнат и столов одновременно.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства освещения с единым световым источником, сконструированного так, чтобы излучать рассеянный и направленный свет одновременно.
Эта задача выполняется с помощью устройства освещения со светоизлучающей слоистой структурой, которая сформирована на подложке, содержащей, по меньшей мере, один электролюминесцентный слой между первым и вторым электродами для излучения света через подложку, которая содержит, по меньшей мере, одну первую область подложки для излучения рассеянного света и, по меньшей мере, одну вторую область подложки для излучения прямого света. Прямой свет определяется как свет с таким распределением направлений распространения, которое значительно отличается от распределения Ламберта, как это имеет место в случае световых источников, излучающих рассеянный свет, при наличии прозрачных подложек. Например, прямой или направленный свет представляет собой световое излучение внутри светового пучка, имеющего фокусное расстояние, световые лучи с параллельными направлениями распространения света или слегка расходящиеся. Некоторые применения, такие, как освещение интерьера автомобилей или освещение темных помещений, требуют простых, дешевых и тонких световых источников, обладающих многофункциональностью, создающих большую свободу конструкции. Светоизлучающие электролюминесцентные слоистые структуры являются тонкими световыми источниками, в которых области, излучающие рассеянный и направленный свет, могут быть объединены в едином тонком источнике, обладающем хорошими свойствами в плане фокусирования света (формирования пучка) за счет второй области подложки и способными хорошо освещать помещение рассеянным излучением за счет первой области подложки.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения электролюминесцентный слой представляет собой органический электролюминесцентный слой, потому что органические светодиоды являются дешевыми и гибкими источниками, дающими большую площадь освещения и большую свободу конструкции для адаптации устройства освещения к различным применениям.
Полезно, если вторая область подложки содержит, по меньшей мере, одну коллимирующую свет конструкцию. Коллимирующая свет конструкция будет преобразовывать излучаемый рассеянный свет в направленный свет, при этом свойства направленного света могут быть адаптированы к применению путем выбора подходящих размеров коллимирующей свет конструкции.
Также полезно, если коллимирующая свет конструкция является периодической структурой для получения определенных проекционных свойств света для всей второй области подложки.
Еще полезно, если коллимирующая свет конструкция создает первое фокусное расстояние в направлении, противоположном направлению излучения света, равное расстоянию между электролюминесцентным слоем и коллимирующей свет конструкцией. Источник света, в этом случае электролюминесцентный слой, расположенный на расстоянии, равном фокусному, от коллимирующей свет конструкции обеспечивает хорошие проекционные свойства света.
Даже более полезно, если коллимирующая свет конструкция создает второе фокусное расстояние в направлении излучения света, по меньшей мере, 10 см, предпочтительно, по меньшей мере, 20 см, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 30 см. Это второе фокусное расстояние обеспечивает яркость света на расстояниях, близких ко второму фокусному расстоянию, которые требуются в различных применениях, например для чтения или местного освещения таких объектов, как картины или скульптуры.
В особенности полезно, если коллимирующая свет конструкция содержит, по меньшей мере, один из классов коллимирующих свет конструкций, таких, как линзы, призмы, линзы Френеля и параболические коллиматоры света. Эти конструкции имеют проекционные свойства, подходящие для разных требуемых применений. Здесь параболический коллиматор света определяется как трехмерный зеркальный сегмент параболической формы, в котором фокус одной стороны зеркала, имеющей параболическую форму, лежит на противоположной стороне зеркала, имеющей параболическую форму, и наоборот. Параболический коллиматор света может быть заполнен материалами, например пластиком или стеклом. Линза Френеля представляет собой сжатую разновидность обычной линзы круглой или другой формы. Например, круглая линза Френеля содержит множество концентрических колец.
Кроме того, полезно, если коллимирующая свет конструкция содержит параболические коллиматоры света, а поверхность подложки, обращенная к светоизлучающей слоистой структуре, создает отражающие области между параболическими световыми коллиматорами. Здесь никакой рассеянный свет не будет покидать вторую область подложки через участки подложки между параболическими коллиматорами света. Он будет отражаться назад к отражательному электроду и, вероятно, попадать в параболические коллиматоры света после нескольких отражений.
Источник света является даже более полезным, если вторая область подложки содержит параболический коллиматор света, а в направлении излучения света, в верхней части параболического коллиматора света, - линзу Френеля. Параболический коллиматор света создает коллимированный свет, попадающий на линзу Френеля, для получения хорошо сфокусированного светового пучка с настраиваемым фокусным расстоянием.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения, по меньшей мере, один из электродов сконструирован для того, чтобы настраивать по отдельности световое излучение, излучаемое за счет первой и второй областей подложки. При помощи сконструированных электродов можно приложить различные управляющие напряжения к областям электролюминесцентного слоя, излучающим через первую и вторую области подложки, для подбора комнатного освещения и направленного (или местного) освещения независимо.
В еще более предпочтительном варианте реализации электролюминесцентный слой располагается таким образом, чтобы излучать свет первого спектрального диапазона через первую область подложки и свет второго спектрального диапазона, отличного от первого спектрального диапазона, - через вторую область подложки.
Далее изобретение будет описано со ссылкой на примеры вариантов выполнения, показанные на чертежах, которыми, однако, изобретение не ограничивается.
Фиг.1: вид сверху устройства освещения в соответствии с настоящим изобретением,
фиг.2: поперечное сечение устройства освещения в соответствии с настоящим изобретением вдоль линии А-В, обозначенной на фиг.1,
фиг.3: вид сбоку устройства освещения в соответствии с настоящим изобретением,
фиг.4: поперечное сечение устройства освещения в соответствии с настоящим изобретением, содержащего набор призм, вдоль линии А-В, обозначенной на фиг.1,
фиг.5: поперечное сечение устройства освещения в соответствии с настоящим изобретением, содержащего набор собирающих линз, вдоль линии А-В, обозначенной на фиг.1,
фиг.6: поперечное сечение устройства освещения в соответствии с настоящим изобретением, содержащего набор параболических коллиматоров света, вдоль линии А-В, обозначенной на фиг.1,
фиг.7: поперечное сечение устройства освещения в соответствии с настоящим изобретением, содержащего набор параболических коллиматоров света и линзу Френеля, вдоль линии А-В, обозначенной на фиг.1.
Фиг.1 показывает вид сверху на подложку 2 устройства освещения в соответствии с настоящим изобретением, содержащую первые области 21 подложки для излучения рассеянного света по мере его генерации в светоизлучающей слоистой структуре 4 под подложкой (не показано на фиг.1). Подложка 2 состоит из прозрачного материала, обычно стекла или пластичного материала, такого как полиметилметакрилат (PMMA) или РЕТ. Верхняя поверхность на границе раздела подложки и воздуха может быть плоской или может иметь приспособления для улучшения объединения выходного светового излучения, такие как поверхностная структура с определенной шероховатостью, или другие структуры для объединения выходного светового излучения. С другой стороны, структура для улучшения объединения светового излучения на выходе может быть дополнительным слоем, обычно слоем пластика, нанесенным как ламинированное покрытие на плоскую верхнюю поверхность.
Подложка 2 устройства освещения в соответствии с настоящим изобретением (см. фиг.1) содержит, по меньшей мере, одну вторую область 22 подложки, преобразующую рассеянный свет, излучаемый светоизлучающей слоистой структурой 4, в направленный свет. Форма вторых областей подложки зависит от условий применения, она может быть прямоугольной, круглой, овальной или быть формой любого другого типа. Количество вторых областей подложки и соотношение между первыми и вторыми областями подложки также зависят от применения. Например, устройства освещения для внутреннего освещения автомобиля с дополнительной функцией чтения содержат большую первую область подложки величиной несколько десятков квадратных сантиметров, в то время как вторая область подложки, обеспечивающая направленное или местное освещение для чтения, может быть порядка нескольких квадратных сантиметров. В качестве второго примера, полный световой пучок для настольного освещения с функцией местного освещения может иметь прямоугольную форму и размер, например, порядка 10 см на 100 см с областью местного освещения (вторая область подложки) 6 см на 6 см. Данные размеры являются только примером, для других применений размеры могут отличаться.
Фиг.2 показывает поперечное сечение устройства освещения вдоль линии А-В, обозначенной на фиг.1. Устройство освещения содержит светоизлучающую структуру 4, сформированную на подложке 2. Светоизлучающая структура 4 содержит, по меньшей мере, один электролюминесцентный слой 42 между первым электродом 41, обычно прозрачным анодом, и вторым электродом 43, обычно отражательным катодом, для подачи электрической мощности на электролюминесцентный слой 42. Электролюминесцентные световые источники обычно подразделяются на неорганические световые источники (nLED) и органические световые источники (OLED) в соответствии с природой их электролюминесцентного слоя 42. В предпочтительном варианте выполнения изобретения электролюминесцентный слой 42 представляет собой органический электролюминесцентный слой, потому что органические электролюминесцентные световые источники (OLED) являются дешевыми и гибкими источниками с большой площадью освещения, дающими большую свободу конструкции для адаптации устройства освещения к разным применениям. Здесь прозрачный электрод 41 обычно изготавливается из легированного индием оксида олова (ITO). Также можно использовать органический материал с высокой электрической проводимостью, такой как PEDT/PSS Baytron P компании HC Starck. Материал отражательного электрода 43 обычно представляет собой металл, такой как алюминий, медь, серебро или золото. Электрод 43 может быть выполнен как однородный слой или может иметь структуру, например, в виде множества отдельных областей проводящих материалов. С другой стороны, электрод 41 тоже может быть однородным слоем или иметь сложную структуру.
3
Органический электролюминесцентный слой 42 может состоять из светоизлучающих полимеров (PLED) или небольших светоизлучающих органических молекул (SMOLED), которые внедряются внутрь органического матричного материала с дырочной и электронной проводимостью, например, TCTA, TPBI или TPD, легированного светоизлучающими комплексами. Светоизлучающие структуры 4 с улучшенной эффективностью могут содержать слой с переносом дырок, такой как F4-TCNQ, легированный MTDATA, между электролюминесцентным слоем 42 и анодом 41, и слой с переносом электронов, такой как Alq или TPBI, между электролюминесцентным слоем 42 и катодом 43. Также между электродами и слоями с переносом дырок и электронов могут быть слои с инжекцией электронов и дырок соответственно.
Генерированный свет внутри электролюминесцентного слоя 4 излучается с изотропным распределением светового излучения. Благодаря разнице значений показателей преломления между обычной подложкой и воздухом, распределение направлений распространения света, излучаемого устройством освещения, является распределением Ламберта. Подложка 2, в соответствии с настоящим изобретением, содержит, по меньшей мере, одну первую область 21 для излучения рассеянного света 31 и, по меньшей мере, одну вторую область 22 подложки для излучения направленного света 32, где распределение направлений распространения излучения для света, проходящего вторую область 22 подложки, значительно отличается от распределения Ламберта, как это имеет место для первой области 21 подложки, за счет которой излучается рассеянный свет, например световое излучение внутри светового пучка, имеющего фокусное расстояние, световые лучи с параллельным направлением распространения или слегка расходящийся свет.
Фиг.3 показывает некоторые примеры различных вторых областей 22 подложки с различными свойствами направления света. Вторые области подложки могут иметь форму кольца, круглую форму, квадратную форму или форму нерегулярных пятен на определенном расстоянии от поверхности подложки.
В одном варианте выполнения изобретения направленный свет создается с помощью дополнительной слоистой структуры. Так называемая слоистая структура с микропорами действует как полупрозрачное зеркало между анодом и подложкой, влияя на направление распространения света. Такие устройства освещения, содержащие слоистые структуры с микропорами, будут излучать свет предпочтительно в направлении, перпендикулярном поверхности подложки, тем самым создается направленный свет.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения применяется конструкция, коллимирующая свет, вместо конструкции с микропорами. Как показано на фиг.4, вторая область 22 подложки содержит коллимирующую свет конструкцию 23, преобразующую рассеянный свет, излучаемый электролюминесцентным слоем 42, в направленный свет 32. В одном варианте реализации коллимирующая свет конструкция 23 включается в подложку, например, за счет разрезания, измельчения или других технологий формования. В другом варианте коллимирующая свет конструкция ламинируется на плоской подложке 24 для формирования второй области 22 подложки, как показано на фиг.4. Коллимирующая свет конструкция может быть изготовлена, например, с помощью технологий литьевого формования. Свойства направленного света 32 могут быть адаптированы к применению за счет выбора подходящих размеров коллимирующей свет конструкции 23. Соседняя первая область 21 подложки еще излучает рассеянный свет 31.
Также является полезным, если коллимирующая свет конструкция 23 представляет собой периодическую конструкцию для получения определенных проекционных свойств света, таких как определенные фокусные расстояния. Два примера даны на фиг.4 и 5, где вторая область 22 подложки содержит коллимирующую свет конструкцию 23 в виде набора призм (фиг.4) или набора линз (фиг.5). В предпочтительном варианте выполнения изобретения коллимирующая свет конструкция 23 создает первое фокусное расстояние в направлении, противоположном направлению излучения света 32, равное расстоянию между электролюминесцентным слоем 42 и коллимирующей свет конструкцией 23. Электролюминесцентный слой 42, расположенный на этом расстоянии, способствует тому, что коллимирующая свет конструкция 23 обеспечивает увеличенное количество направленного света 32. Даже более полезно, если коллимирующая свет конструкция 23 создает второе фокусное расстояние в направлении излучения света 32, по меньшей мере, 10 см, предпочтительно, по меньшей мере, 20 см, в особенности предпочтительно, по меньшей мере, 30 см. Это второе фокусное расстояние обеспечивает яркий свет для различных применений, например, для чтения или местного освещения таких объектов, как картины или скульптуры.
Фиг.6 показывает полезный вариант реализации, когда коллимирующая свет конструкция 23 не ламинируется на плоской подложке 24, как показано на предыдущих чертежах. Здесь коллимирующая свет конструкция 23 состоит из набора параболических коллиматоров 231 света с расстоянием 232 между соседними параболическими коллиматорами 231 света. Данные размеры могут изменяться для различных применений. Наименование «параболический коллиматор света» (PLC) происходит из того факта, что параболический коллиматор света содержит два параболических зеркальных сегмента, которые могут быть наполнены такими материалами, как пластик или стекло, с различными фокусами, обозначенных как параболические линии на фиг.6. Фокус левой параболы каждого параболического коллиматора света 231 в поперечном сечении, показанном на фиг.6, лежит на правой параболе, и наоборот. Две параболические поверхности являются симметричными относительно оси, перпендикулярной поверхности второй области 22 подложки. Распределение направлений распространения света будет меняться от широкого распределения перед входом в параболические коллиматоры 231 света до гораздо более направленного распределения при распространении света после выхода из параболических коллиматоров 231 света, что приводит к направленному излучению света 32 за счет второй области 22 подложки. Для увеличения количества направленного вперед света на поверхности подложки 22, обращенной к светоизлучающей слоистой структуре 4, создаются отражающие области 232 между параболическими коллиматорами 231 света. Никакой рассеянный свет не будет выходить из второй области 22 подложки через области подложки 232 между параболическими коллиматорами 231 света. Он будет отражаться назад к отражательному электроду 43 и, возможно, попадать в параболические коллиматоры 231 света после нескольких отражений.
В особенности полезным является вариант выполнения изобретения, показанный на фиг.7, где вторая область 22 подложки содержит набор параболических коллиматоров 231 света и линз 233 Френеля, расположенных на верхней поверхности параболических коллиматоров света, видимых в направлении излучения света 32. Параболические коллиматоры 231 света преобразуют рассеянный свет, излучаемый электролюминесцентным слоем 42, по существу в параллельно-направленный свет с узким распределением света при его распространении вокруг оси, перпендикулярной поверхности подложки. Это распределение света далее будет изменяться с помощью дополнительных линз 233 Френеля на верхней поверхности параболического коллиматора 231 света. Линза Френеля представляет собой сжатую разновидность обычной линзы, содержащую множество концентрических колец. Каждое кольцо немного тоньше, чем следующее, и фокусирует свет по направлению к центру. Заостренную структуру можно изменять для того, чтобы получать линзы с различными фокусными расстояниями, преобразующие параллельный пучок света в фокусированный пучок или расходящийся пучок в коллимированный пучок. В этом варианте реализации параболические коллиматоры света создают коллимированный пучок, который имеет в первом порядке аппроксимации параллельное направление распространения световых лучей. Даже более полезно, если коллимирующая свет конструкция 23 создает второе фокусное расстояние в направлении излучения света, по меньшей мере, 10 см, предпочтительно, по меньшей мере, 20 см, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 30 см. Это второе фокусное расстояние обеспечивает яркий свет для различных применений, например, для чтения или местного освещения таких объектов, как картины или скульптуры. Например, тонкие акриловые, жесткие виниловые или поликарбонатные линзы Френеля от Fresnel Technologies с толщиной от 0,25 до 3,2 мм создают второе фокусное расстояние от 1 до 61 см. Также являются доступными линзы Френеля гексагональной или прямоугольной формы так же, как и набор призм. Требуемое второе фокусное расстояние может отличаться для различных применений.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения, по меньшей мере, один из электродов, 41 и/или 43, сконструирован для того, чтобы настраивать свет 31, 32, излучаемый за счет первых областей 21 подложки и вторых областей 22 подложки, по-разному. С помощью сконструированных электродов 41 и/или 43 можно использовать различные управляющие напряжения для областей электролюминесцентного слоя 42, расположенных между сконструированными частями электрода. Следовательно, количество света, излучаемого через первую область 21 подложки, например для комнатного освещения, и через вторую область 22, например для местного освещения, может подбираться независимо.
В еще более предпочтительном варианте выполнения изобретения электролюминесцентный слой 42 располагается так, чтобы излучать свет первого спектрального диапазона через первую область 21 подложки и второго спектрального диапазона, отличного от первого спектрального диапазона, через вторую область 22 подложки. Например, электролюминесцентный материал может быть изменен локально. Например, для слоев из SMOLED материалов различные легирующие материалы могут применяться для электролюминесцентного материала для различных областей электролюминесцентного слоя.
Варианты выполнения изобретения, которые объяснялись со ссылкой на чертежи и описание, являются только примерами устройства освещения, и нельзя понимать, что формула изобретения ограничивается этими примерами. Альтернативные варианты выполнения, которые также находятся в рамках следующей формулы изобретения, будут также сочтены квалифицированным специалистом возможными. Перечисление зависимых пунктов не означает, что другие комбинации пунктов формулы изобретения не представляют полезные варианты выполнения.