СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
LIGHT-EMITTING DEVICE

Изобретение относится к области светотехники, предназначенной для создания динамичных световых эффектов, и может быть использовано для производства декоративных светильников, применяемых для освещения и украшения различных помещений и для изготовления рекламоносителей.
Для создания специальных световых эффектов и придания интерьерам помещений индивидуальности, неповторимости и красочности применяют декоративные светильники и устройства для создания световых эффектов.
Известно светоизлучающее устройство для создания декоративного эффекта (Авт.свид. СССР №1158819, заявл. 29.07.83, опубл. 30.05.85), содержащее источник света с размещенным на одной оптической оси с ним пучком световодных волокон и установленный между ними с возможностью вращения диск со светофильтрами, выполненными в виде секторов. При включении устройства свет от источника света, проходя линзу и вращающиеся светофильтры, меняет свой спектральный состав и формируется в коллимированный пучок, который освещает нижние торцы световодных волокон, при этом верхние торцы световодных волокон одновременно светятся различными цветами, меняя цвет при вращении светофильтров. Данное изобретение позволяет обеспечить декоративный эффект благодаря тому, что шаровая поверхность распушенного конца волоконного жгута формирует перемещающиеся по кругу световые картины высокого уровня яркости.
Однако с помощью данного устройства можно обеспечить лишь один декоративный эффект изменения цвета на выходе световых волокон, и для его реализации необходимо наличие огромного количества световодов. Кроме того, громоздкость конструкции, заключающаяся в наличии узлов механического вращения, и высокая сложность ограничивают широкое применение данного типа светильника для декоративного освещения интерьера.
Известно светоизлучающее устройство для создания специальных световых эффектов (Патент Франции №1591710, кл. F21Р 3/00), содержащее тубус с объективом, трехгранную зеркальную призму, кассету с разноцветными хаотически расположенными в ней стеклами, конденсор, лампу и отражатель, причем кассета установлена с возможностью вращения от привода. Свет от включенной лампы просвечивает цветные стекла в кассете и создает на экране различные световые эффекты, изменяющиеся с частотой, задаваемой скоростью вращения кассеты.
Недостатком данного устройства является ограниченное разнообразие световых эффектов, что обусловлено конструкцией и наличием только одной кассеты с разноцветными стеклами. Кроме того, при достижении высокой яркости светопотока прозрачные стенки кассеты должны быть выполнены из кварцевого стекла, что повышает стоимость устройства.
Известно также светоизлучающее устройство со светодиодами (Заявка Франции №2848288, F21V 13/04, H05B 32/02), включающее светоизлучающие диоды (СИД) белого света и оптическую систему, увеличивающую эмиссионную площадь. Оптическая система с набором призм перехватывает случайные пучки света от СИД и перераспределяет их по зоне осветительного устройства. Распределительное устройство позволяет также смешивать световые пучки от цветных СИД.
Наличие оптической системы с набором призм обеспечивает увеличение площади светового пятна и площади освещения и решает задачу повышения интенсивности и равномерности освещения. Однако данное устройство не позволяет создавать светодинамические декоративные эффекты и не может быть использовано для освещения баров, ресторанов, казино, ночных клубов и для изготовления рекламоносителей.
Известно светоизлучающее устройство (Патент РФ №2185567, кл.7 F21S 4/00, от 14.02.2000 г.), выполненное в виде световой трубки, в качестве которой использована термоосаживаемая трубка с расположенными внутри и закрепленными за счет термообработки светоизлучающими диодами (СИД). Использование люмино-форного покрытия как самой световой трубки, так и элементов-наполнителей, например, прозрачных пластмассовых шариков или кристаллов, позволяет сделать световую трубку более заметной, изменять цветность, улучшить ее декоративные свойства и тем самым расширить диапазон ее применений, в частности, использовать ее в качестве информативного знака, элементов декора и рекламы.
Недостатком данного устройства является высокая трудоемкость изготовления, отсутствие динамического изменения цвета, что ограничивает области применения в качестве устройства декоративного источника света, особенно в качестве элементов привлекательной рекламы.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является светоизлучающее устройство, описанное в патенте РФ №2173814 С1, кл. F21S 8/00, от 10.03.2000 г. (прототип), содержащее защитное стекло, корпус с размещенными в нем излучающими светодиодами (СИД), которые установлены на 2-х платах: на внешней с промежутками между СИД и на внутренней плате с площадками между ними, при этом внешняя плата выполнена оптически прозрачной.
Известное устройство обеспечивает высокий световой поток с единицы площади излучателя, конструкция позволяет увеличить механическую прочность и повысить технологичность изготовления.
Однако известное устройство обеспечивает создание лишь монохромного освещения, отсутствует гамма цветов, отсутствует динамически изменяющаяся в пространстве и во времени световая картина со световыми эффектами, устройство не позволяет создавать несколько вариантов световых эффектов, осуществлять переключения СИД, изменять яркость и цветность излучаемого светового потока и получать декоративные эффекты большого разнообразия.
Техническая задача, которая решается заявляемым устройством, заключается в создании динамически изменяющейся в пространстве и во времени световой картины со световыми эффектами большого разнообразия, расширении гаммы цветов и числа вариантов световых эффектов, обеспечении изменения яркости и цветности излучаемого светового потока.
Поставленная задача достигается за счет того, что в светоизлучающем устройстве, содержащем корпус с защитным стеклом, внутреннюю плату с контактными площадками, внешнюю плату перед защитным стеклом, светодиоды, установленные в колбах на платах в ряд, с промежутками между ними, внутренняя плата со светодиодами расположена рядом с боковой стенкой корпуса, параллельно ей, внешняя плата расположена перед светоотражающим экраном, выполненным на задней стенке корпуса, светодиоды на обеих платах выполнены из полупроводниковых кристаллов с разными цветами свечения и соединены с контроллером, а к внутренней центральной части защитного стекла приклеена стеклянная пластина с нанесенным на ее противоположную сторону рисунком в виде дифракционной решетки из совокупности щелей и отверстий с размерами элементов на уровне 1-3 мкм.
Защитное стекло за пределами центральной части может быть выполнено матированным.
На верхней поверхности внутренней печатной платы может быть установлен зеркальный отражатель из тонкой металлизированной полимерной пленки.
На внутреннюю поверхность задней стенки корпуса может быть нанесено светоотражающее покрытие белого цвета.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид светоизлучающего устройство и его сечение по А-А, на фиг.2 представлен вид на защитное стекло с внешней стороны и в поперечном сечении, на фиг.3 показан вид на внутреннюю сторону защитного стекла, на фиг.4 представлен вид оптического модуля с оптическими блоками и разделительной рамкой, на фиг.5 изображен оптический блок с ограничительной рамкой и рисунками щелей и отверстий, на фиг.6 показана схема освещения оптического блока с ограничительной рамкой и рисунками щелей и отверстий, сформированных на внутренней стороне дифракционной решетки, прикрепленной к внутренней поверхности защитного стекла, на фиг.7 иллюстрируется явление огибания светом элементов дифракционной решетки, при котором происходит перераспределение светового потока в результате суперпозиции вторичных волн, на фиг.8 иллюстрируется дифракция света на элементах дифракционной решетки, выполненных в виде отверстий, при которой происходит образование вторичных световых волн и перераспределение светового потока в результате интерференции вторичных волн.
Светоизлучающее устройство (фиг.1) содержит корпус 1, внутреннюю печатную плату 2 с металлизационным рисунком 3, к которому схемно присоединены светодиоды 4 из полупроводниковых кристаллов красного, зеленого и синего цветов, размещенных в одной колбе. Каждый светодиод 4, у которого в одной колбе одновременно смонтированы три кристалла разного свечения, устанавливается в отверстиях внутренней платы 2 таким образом, что все вместе они выстроены в одну линию, параллельную задней стенке корпуса 1. Все светодиоды 4 соединены схемно с контроллером 5, который управляет их работой. К лицевой стороне корпуса прикреплено защитное стекло 6, внутренняя поверхность которого протравлена для создания участков 7 матового цвета, к прозрачной части 8 защитного стекла с помощью клея 9 присоединена стеклянная пластина 10 с дифракционной решеткой 11. Напротив стеклянной пластины 10 с дифракционной решеткой 11 установлена внешняя плата 12 со светодиодами 13 красного, зеленого и синего цветов, соединенными с контроллером 14. Для более полного освещения объема корпуса на верхней поверхности внутренней печатной платы установлен зеркальный отражатель 15 из тонкой металлизированной полимерной пленки, а для повышения яркости цветной картины, получаемой на поверхности задней стенки корпуса, на эту стенку нанесено светоотражающее покрытие 16 белого цвета, например из белой бумаги.
На фиг.2 представлен вид на защитное стекло 6 с внешней стороны и в поперечном сечении, на которых показано, что поверхность стекла 6 имеет участок 7, химически протравленный с одной стороны и имеющий матовый цвет (заштрихованная область) и участок 8, не подвергшийся химическому травлению и оставшийся прозрачным. К прозрачной части 8 защитного стекла 6 с помощью клея 9 присоединена стеклянная пластина 10 с дифракционной решеткой 11.
На фиг.3 показан вид на внутреннюю сторону защитного стекла 6, к прозрачному участку 8 которого с внутренней стороны приклеена стеклянная пластина с дифракционной решеткой 11, содержащей оптические модули 17 (область Д).
На фиг.4 изображен вид оптического модуля 17 (область Д) с разделительной рамкой 18 и оптическими блоками 19 (область Е).
На фиг.5 изображен блок 19 (область Е) с ограничительной рамкой 20 и рисунками в виде щелей 21 из пунктирных линий шириной 1 мкм и длиной 3 мкм и кругами 22 диаметром 3 мкм с отверстиями 1 мкм и зазором между кругами 1-3 мкм.
Геометрические размеры микроэлементов, включенных в оптический модуль 19, вычислялись с использованием классической формулы для дифракционной решетки:
где d - период структуры микроэлементов решетки,
k
φ - углы дифракции света,
к - порядок дифракции,
λ - длина волны источника света.
Для обеспечения световой палитры длина волны видимого диапазона длин волн используется в диапазоне 0,4-0,7 мкм. Решетки, изготовленные методом травления пленки из окиси железа, обеспечивают не менее k=6 порядков дифракции практически одинаковой интенсивности. Для разделения цветов, следуя выражению 1, необходимо использовать структуры с частотой от 1000 до 300 линий на 1 мм. Это дает характерный размер элементов d от 1 до 3 мкм, т.е. совокупность двух групп микроэлементов - параллельных щелей одинаковой ширины и круглых отверстий, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, имеет размеры в пределах от 1 до 3 мкм.
Светоизлучающее устройство работает следующим образом. При включении в электрическую сеть через расположенный в корпусе 1 на печатной плате 2 (фиг.1, сечение А-А) металлизационный рисунок 3 рабочее напряжение передается к светодиодам 4 через контроллер 5, управляющий их включением и выключением по специальной программе. Смонтированные в одну линию светодиоды 4, имеющие в одной колбе три кристалла красного, зеленого и синего цветов, включаются контроллером 5 одновременно, начиная с включения кристаллов с красным цветом свечения, затем контроллер плавно подключает кристаллы зеленого свечения, а далее - синего свечения. Свет от находящихся в непосредственной близости к задней стенке линии светодиодов распространяется по касательной к ее поверхности, при этом на поверхности задней стенки появляются длинные лучи света полукруглой и эллипсовидной формы, причем в зонах их пересечения получается смешение цветов с образованием новых цветных пятен различной степени яркости и интенсивности свечения и таким образом возникает как бы абстрактное световое полотно с элементами импрессионизма. Для наблюдателя цветная картина видится через стекло 6 на участках 7 с матовой поверхностью и представляется в виде динамично изменяющейся цветной картины с широкой гаммой цветов и оттенков. Благодаря матовости стекла свечение приобретает расплывчатость и мягкость при переходах от одного цвета к другому. За счет того, что задняя стенка имеет покрытие 16 белого цвета, яркость получаемого замысловатого светового узора значительно усиливается.
При включении в электрическую сеть также включаются расположенные на печатной плате 12 (фиг.1) светодиоды 13 через контроллер 14, управляющий их включением и выключением по специальной программе. В каждой колбе светодиодов 13 находится только один кристалл, излучающий свет определенной длины волны, т.е. красного, зеленого или синего цветов свечения, совокупность которых составляет систему RGB-триаду цветов, при смешивании которых формируется вся цветовая гамма подобно формированию цвета в системах цветного телевидения.
При попадании света от цветных светодиодов 13 (фиг.1) на область щелей 21 и кругами с отверстиями 22 (фиг.5) - микроэлементов, входящих в состав оптического модуля 19 (фиг.5) дифракционной решетки 11 (фиг.3), он дифрагирует. Происходит перераспределение светового потока в результате суперпозиции световых волн (фиг.7).
На фиг.6 представлено относительное расположение светодиодов 13 и дифракционной решетки 11 на стеклянной пластине 10. При этом происходит сложение колебаний световых пучков от всех пучков в точке расположения наблюдателя. В результате интенсивность дифрагированного на щели света будет иметь максимумы и минимумы. Если лучи от световых пучков придут в точку наблюдения в противофазе, то они гасят друг друга, а если в фазе, то усиливают. Интенсивность максимумов разных порядков (но соответствующих одной длине волны) связана с конечной шириной щелей в дифракционной решетке. При освещении щелей белым светом для различных значений длины волны (разных цветов) положения максимумов одинакового порядка не будут совпадать друг с другом, кроме центрального. Поэтому центральный максимум имеет вид белой полосы, а все остальные - вид радужных полос, называемых дифракционными спектрами первого, второго и т.д. порядков.
При прохождении света от светодиодов 13 (фиг.1) сквозь отверстия 22 (фиг.5) лучи, претерпевшие дифракцию, интерферируют (фиг.8). Это приводит к перераспределению энергии световой волны так, что в результате против точки, совпадающей с центром отверстия, будет находиться максимум интерференции, и эта точка для наблюдателя окажется освещенной гораздо ярче соседних. По мере удаления от точки, совпадающей с центром отверстия, яркость света будет уменьшаться, и точка центра отверстия будет окружена темным кольцом. За темным кольцом будет расположено более яркое и т.д. Таким образом, вокруг центра отверстия будут располагаться дифракционные максимумы и минимумы кольцевой формы. Центральный максимум - белый круг, а остальные радужные кольца - дифракционными спектрами первого, второго и т.д. порядков.
Таким образом, при прохождении светового потока сквозь нанесенную на стеклянную пластину 10 (фиг.2) дифракционную решетку 11 (фиг.2) свет разлагается на составляющие цвета спектра, создавая радужный эффект. При прохождении светового пучка сквозь совокупность щелей и отверстий (фиг.3-5) часть его будет проходить через решетку прямо, а часть будет огибать микроэлементы решетки, в результате чего образуются новые пучки, выходящие из решетки и формирующие цветное изображение. В зависимости от угла падающего света на высокоразрешающую структуру дифракционной решетки из щелей и отверстий она переливается всеми цветами радуги.
Конструкция светоизлучающего устройства дополнительно обеспечивает получение светодинамических эффектов за счет переключения светодиодов 13 (фиг.1) по заданной программе с помощью контроллера 14 (фиг.1). Одновременное включение одного или нескольких источников света разной длины волны в группе светодиодов, расположенных за дифракционной решеткой, создало огромные возможности с точки зрения световых решений благодаря смешиванию цветов, формированию множества цветовых оттенков, осуществлению динамического изменения света в различных режимах с несколькими уровнями скорости эффекта смешения цветов при переливании одного цветового оттенка в другой.
Использование в центральной части стеклянной пластины дифракционной решетки из параллельных щелей и круглых отверстий размером 1-3 мкм, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, позволило разбить фронт световой волны на отдельные пучки когерентного света. Эти пучки, претерпевая дифракцию на щелях и отверстиях, интерферировали друг с другом, раскладывавая белый свет в спектр и позволяя получать благодаря этому радужный декоративный эффект. Из-за интерференции интенсивность света, прошедшего через совокупность параллельных щелей и круглых отверстий, получалась различной в различных направлениях. В некоторых направлениях световые волны от щелей и отверстий решетки складывались в фазе, многократно усиливая друг друга. Освещение дифракционной решетки с щелями и круглыми отверстиями изменяющимся с помощью контроллера монохроматическим светом позволило получить трехмерную дифракционную световую картину.
Размещение вокруг дифракционной решетки участков стекла с матированной поверхностью, за которыми находились линейки светодиодов системы RGB, излучающих свет по касательной к задней стенке, позволило создать слегка приглушенный окружающий фон с длинными круглой или эллипсовидной формы пятнами, плавно изменяющими свой цвет.
Для наблюдателя цветная картина видится через стекло 6 на участках 7 с матовой поверхностью и представляется в виде динамично изменяющейся цветной картины с широкой гаммой цветов и оттенков. Благодаря матовости стекла свечение приобретает расплывчатость и мягкость при переходах от одного цвета к другому. Для более полного освещения объема корпуса на верхней поверхности внутренней печатной платы установлен зеркальный отражатель 15 из тонкой металлизированной полимерной пленки. За счет того, что задняя стенка имеет покрытие 16 белого цвета, яркость получаемого замысловатого светового узора значительно усиливается.
Получаемый свет различной длины волны и длительности, а также цветовые оттенки как в центральной части, так и на периферии оказывают активизирующее влияние на микроциркуляцию в области сетчатки глаза и общестимулирующее воздействие на организм человека. Отображение нежных цветовых градиентов и изменение яркости света вызывает различные эмоции у наблюдателя. Плавный и мягкий переход от одного цвета к другому, используемый в конструкции заявляемого устройства, позволяет получать высокое эстетическое наслаждение и удовольствие от созерцания феерических световых картин.
Применение в заявляемой конструкции устройства стекла из комбинации матированных участков поверхности и поверхности с дифракционной решеткой с размерами элементов на уровне 1-3 мкм, получаемых методом фотолитографии и техпроцессов, применяемых в нанотехнологии, а также современных твердотельных источников света - светоизлучающих диодов позволило создавать декоративные эффекты, значительно усиливающиеся за счет одновременного применения эффекта дифракции света и динамического изменения цвета и формирования широкой цветовой гаммы с помощью светодиодов разного цвета (система RGB), работающих по заданной программе, что позволило приблизить эффект эмоционального воздействия разработанной конструкции светильника к эффекту воздействия природных явлений, таких как радуга, северное сияние, гало, звездное небо и т.д.
За счет сочетания освещения центральной части стекла с дифракционной решеткой и периферийной части с матированной поверхностью светодиодами системы RGB с динамическим изменением длины волны монохроматического света при подключениях светодиодов в различных комбинациях изобретение позволило обеспечить переключения СИД и изменения яркости и цветности излучаемого светового потока, создать динамически изменяющуюся в пространстве и во времени световую картину со световыми эффектами большого разнообразия, расширить гамму цветов и число вариантов световых эффектов.
В приложении представлены фотографии динамических картин, реализуемых светоизлучаемым устройством.