ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С ФОРМИРОВАНИЕМ СВЕТА
OPTICAL ELEMENT WITH FORMATION OF LIGHT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к оптическому элементу, в частности к оптическому элементу, содержащему рассеивающий элемент с возможностями рассеивания и формирования луча.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При разработке осветительных изделий для помещений необходимо учитывать яркость источника света и формирование светового луча. Слишком высокая яркость в осветительном изделии не требуется. Это может стать причиной неравномерного распределения света от осветительного изделия, что может создать проблемы, связанные с рассеиванием и формированием луча. Обычное осветительное изделие (1), соответствующее известному уровню техники, которое показано на Фиг. 1, содержит источник (2) света и рассеивающий лист (4), расположенный на расстоянии (6) от источника света. Телесный угол (8) представляет собой угол света от источника света, покрытого рассеивающим листом.
Обычно в осветительных изделиях для помещений существует компромисс между яркостью источника света и возможностью формирования луча в осветительном изделии. При высокой яркости источника света могут иметься проблемы, связанные с формированием луча требуемым образом. Кроме того, низкая яркость источника света может негативно отразиться на эффективности осветительного изделия.
Одним из путей решения проблем, связанных с достижением подходящего уровня яркости в соответствии с формированием луча в осветительном изделии, является первоначальное снижение яркости света от источника света, например, путем добавления распределяющего или рассеивающего элемента, расположенного близко к источнику света. После чего формируют световой луч, например, при помощи большого рефлектора или белого колпака.
Один пример такого решения описан в документе JP 2010113975, согласно которому выше множества излучателей света расположен распределительный лист. Чтобы сформировать световой луч, необходимо добавить формирователь светового луча, такой как рефлектор.
При альтернативном подходе световой луч сначала формируют, например, при помощи коллиматоров с TIR (Total Internal Reflection - полное внутреннее отражение) или небольшого рефлектора, после чего уменьшают яркость луча, например, путем создания ограниченного распределительного выходного окна для светового луча.
Кроме того, существует потребность в обеспечении минимального физического размера осветительных изделий. Как видно на Фиг. 1b, рассеивающий лист (4) может быть установлен на меньшем расстоянии (6') до источника (2) света, что позволяет получить больший телесный угол (8') и изделие меньших размеров.
Однако существует ограничение в том, насколько маленьким может быть осветительное изделие с рефлектором и рассеивающим листом, так как существует ограничение в том, насколько близко рассеивающий лист может быть установлен к источнику света без превышения максимальной яркости. Такая компоновка может вызвать появление слишком высокого уровня яркости в центральной части рассеивающего листа и значительно пониженный уровень яркости по краям рассеивающего листа. Это может вызвать неравномерное распределение света, что негативно влияет на возможности формирования луча в осветительном изделии.
Как следствие, существует потребность в альтернативном решении для осветительного изделия меньшего размера, которое объединяет умеренную яркость с возможностью формирования луча.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является устранение этой проблемы и создание светоизлучающего устройства небольшого размера с функцией рассеивания и формирования луча.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения эта и другие задачи решаются путем предложения светоизлучающего устройства, содержащего источник света и рассеивающий элемент. Рассеивающий элемент выполнен в трехмерной форме перед источником света в направлении выхода света. Разные области рассеивающего элемента имеют разные оптические характеристики.
Рассеивающий элемент, обеспеченный в трехмерной форме перед источником света, в комбинации с разными оптическими характеристиками разных областей рассеивающего элемента может реализовать функцию снижения яркости, функцию рассеивания света, а также функцию формирования светового луча. При установке рассеивающего элемента перед источником света этим элементом может охватываться большой телесный угол источника света. Кроме того, можно сохранить минимальное расстояние между источником света и рассеивающим элементом. Это означает, что оптический компонент может захватывать максимальное количество световых лучей от источника света на расстоянии, которого может оказаться достаточно для того, чтобы не превышать предполагаемые максимальные уровни яркости для оптического компонента. Это может быть сделано, чтобы избежать проблем слепимости светоизлучающего устройства. Весь свет, захваченный рассеивающим элементом, рассеивается по площади рассеивающего элемента, чтобы уменьшить яркость света от источника света. Это дополнительно может привести к тому, что светоизлучающее устройство будет иметь меньший размер по сравнению с известным уровнем техники. Рассеивающий элемент может быть установлен близко к источнику света без риска появления проблем с яркостью из-за трехмерной формы рассеивающего элемента.
"Перед" означает перед источником света в направлении распределения света либо между источником света и предполагаемым наблюдателем излучения светоизлучающего устройства.
При создании разных областей рассеивающего элемента таким образом, чтобы они имели разные оптические характеристики, итоговые оптические свойства и итоговые светоизлучающие свойства, включая форму светового луча, оптического компонента могут быть оптимизированы для определенной цели. Такая оптимизация может выполняться, чтобы увеличить до максимума прямое рассеивание рассеивающего элемента и снизить до минимума его обратное рассеивание. Может быть задано итоговое распределение света, т.е. может быть сформирован световой луч от источника света. Светоизлучающее устройство, соответствующее настоящему изобретению, может иметь преимущество, заключающееся в легкой настройке под конкретные нужды. Всего лишь замена рассеивающего элемента может позволить изменить итоговое распределение света светоизлучающего устройства. Разные области применения могут потребовать разных уровней яркости и разных форм луча. Настоящее изобретение может предоставить экономически эффективное решение, позволяющее получить оптические компоненты для большого множества типов дизайна. Такие светоизлучающие устройства могут подойти как для потребительских вариантов применения, так и для профессиональных вариантов применения в освещении.
Так как все требуемые оптические элементы, как для рассеивания, так и для формирования луча, встроены в светоизлучающее устройство, это устройство может подойти для изделий с модульной архитектурой. Трехмерная форма рассеивающего элемента может представлять собой конус, короб, цилиндр, сферу, купол или тому подобное.
В одном варианте реализации настоящего изобретения разные области поверхности рассеивающего элемента могут иметь разные оптические характеристики.
При создании разных областей поверхности рассеивающего элемента с разными оптическими характеристиками можно управлять итоговым распределением света от светоизлучающего устройства. Можно задавать конкретную форму светового луча от светоизлучающего устройства, соответственно задавая оптические характеристики разных областей на поверхности рассеивающего элемента. При задании поверхности рассеивающего элемента такой рассеивающий элемент может быть легко изготовлен.
В другом варианте реализации настоящего изобретения разные оптические характеристики разных областей рассеивающих элементов могут представлять собой разные оптические структуры.
При создании рассеивающего элемента с разной оптической структурой в разных областях элемента можно формировать требуемым образом свет от источника света при одновременном рассеивании света, чтобы задать на выходе требуемую яркость света от оптического элемента. Разные оптические структуры могут, например, иметь различия в поверхности рассеивающего элемента, различия в составе материала в рассеивающем элементе или различия в толщине рассеивающего элемента. Разные оптические структуры могут, кроме того, представлять собой различия в свойствах структуры поверхности. Разные оптические структуры могут, кроме того, представлять собой разную геометрию поверхности рассеивающего элемента. Разные оптические структуры могут представлять собой разные геометрические оптические структуры. В качестве альтернативы, разные оптические характеристики могут быть обеспечены частицами или порами на поверхности рассеивающего элемента.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения поверхность рассеивающего элемента может содержать, по меньшей мере, одну оптическую структуру, выбранную из следующей группы: волнистая структура, преломляющая структура, структура в виде массива линз и их комбинации.
При задании оптической структуры разных областей рассеивающего элемента можно управлять и задавать функцию рассеивающего элемента в разных областях. Это обеспечивает дополнительные возможности при задании функции рассеивания и формировании луча для разных областей рассеивающего элемента, внося свой вклад в итоговое распределение света светоизлучающего устройства. Рассеивающий элемент может дополнительно содержать области с комбинацией разных типов структуры. Такая область может быть переходной областью между двумя областями с разной структурой, обеспечивая градиентную область, переходящую от одной структуры к другой. Таким образом, разные области рассеивающего элемента могут иметь плавающие границы между ними. Оптической структурой области может быть любая структура, которая имеет функцию рассеивания. Оптическая структура может быть выбрана из группы, содержащей волнистую структуру, преломляющую структуру и структуру в виде массива линз. Разные области, имеющие разную оптическую структуру, выбранную из упомянутой группы, могут быть созданы как разные области, имеющие один и тот же тип оптической структуры, но с разными свойствами.
В следующем варианте реализации настоящего изобретения каждая из двух расположенных против друг друга поверхностей рассеивающего элемента может содержать оптическую структуру, выбранную из группы, содержащей волнистую структуру, преломляющую структуру, структуру в виде массива линз и их комбинации.
Рассеивающий элемент может состоять из рассеивающего листа, который выполнен в трехмерной форме. Тогда упомянутые две расположенные против друг друга поверхности могут быть двумя сторонами рассеивающего листа. При задании разной оптической структуры в разных областях обеих поверхностей рассеивающего элемента поведение разных областей рассеивающего элемента может быть задано с использованием менее сложных дизайнов структуры на каждой стороне, так как две стороны будут вместе задавать итоговое оптическое поведение этой области. Конкретная область рассеивающего элемента может на двух расположенных против друг друга поверхностях быть снабжена оптической структурой похожего типа. В качестве альтернативы, область может содержать две расположенные против друг друга поверхности, снабженные разными типами оптической структуры, например, волнистая структура на одной стороне и преломляющая структура на другой стороне. Оптические структуры двух поверхностей могут быть асимметричными или симметричными.
В одном варианте реализации настоящего изобретения преломляющая структура может включать итоговые внутренние грани преломления.
При включении итоговых внутренних граней преломления в преломляющую структуру на поверхности рассеивающего элемента рассеивающий элемент может быть создан таким образом, чтобы дополнительно минимизировать его обратное рассеивание. Дизайн граней может выбираться, исходя из положения грани относительно источника света.
В одном варианте реализации настоящего изобретения оптические характеристики каждой из разных областей рассеивающего элемента могут выбираться в зависимости от угла между направлением, перпендикулярным поверхности каждой области, и направлением от той же области к источнику света.
При задании оптических характеристик или оптической структуры определенной области, исходя из угла от области до источника света по сравнению с направлением, перпендикулярным к поверхности этой области, обратное рассеивание в этой области может быть минимизировано. Кроме того, такая область может быть оптимизирована с точки зрения преломления, чтобы обеспечить требуемую форму светового луча для этой области.
В одном варианте реализации настоящего изобретения оптические характеристики разных областей рассеивающего элемента могут выбираться в зависимости от соответствующих расстояний упомянутых областей рассеивающего элемента до источника света.
Соответствующее расстояние между определенной областью и источником света может влиять на интенсивность света, которая достигает этой области. Таким образом, упомянутое соответствующее расстояние может влиять на дизайн оптических характеристик этой области. Чтобы достичь требуемого итогового распределения света от светоизлучающего устройства, может потребоваться создать каждую область с учетом упомянутого расстояния. В качестве примера, оптическая структура определенного типа и/или с определенными свойствами может быть выбрана для каждой области в зависимости от упомянутого расстояния.
В одном варианте оптические структуры имеют глубину приблизительно 5-50 мкм.
Для разных областей рассеивающего элемента глубина может быть разной. Разные области рассеивающего элемента могут быть снабжены одним и тем же типом оптической структуры, но с разной глубиной структуры. Под глубиной структуры может пониматься расстояние между верхом и низом рельефной структуры на поверхности рассеивающего элемента.
В одном варианте реализации настоящего изобретения рассеивающий элемент может представлять собой рассеивающий лист, который изогнут или сложен в трехмерную форму.
Рассеивающий элемент может представлять собой двумерный рассеивающий лист, который изогнут или сложен в трехмерную форму. Это может дать светоизлучающее устройство и рассеивающий элемент, изготовление которых является экономически эффективным. Кроме того, его может быть легко изготовить по сравнению с объемным трехмерным рассеивающим элементом.
В еще одном варианте реализации настоящего изобретения рассеивающий лист может иметь верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, снабженные разными областями, имеющими разные оптические характеристики.
В зависимости от трехмерной формы рассеивающего элемента, рассеивающий лист, образующий трехмерный рассеивающий элемент, может быть разработан определенным образом. Оптические характеристики разных областей могут выбираться в зависимости от положения каждой области в трехмерном рассеивающем элементе. Таким образом, могут быть обеспечены две поверхности с разными оптическими характеристиками в разных областях перед установкой рассеивающего листа в трехмерной форме.
В одном варианте реализации настоящего изобретения рассеивающий элемент может быть выполнен в трехмерной форме таким образом, чтобы свет от источника света перенаправлялся рассеивающим элементом, по меньшей мере, в двух разных направлениях.
Трехмерная форма рассеивающего элемента может обеспечить такую ситуацию, что свет от источника света направляется в разных направлениях. В результате световой луч от светоизлучающего устройства может быть задан желаемым образом. Свет может направляться во множестве направлений от одного и того же светоизлучающего устройства с использованием одного рассеивающего элемента.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ изготовления светоизлучающего устройства. Способ содержит этапы изготовления рассеивающего листа, причем разные области рассеивающего листа имеют разные оптические характеристики, и обеспечения рассеивающего листа в трехмерной форме перед источником света в направлении выхода света.
Рассеивающий лист может быть изготовлен как двухмерный лист с разными оптическими структурами в разных двумерных областях листа. Это обеспечивает экономически эффективный способ изготовления рассеивающего листа и светоизлучающего устройства. Затем рассеивающий лист может быть выполнен в трехмерной форме перед источником света. Рассеивающий элемент может быть установлен в форме конуса, короба, цилиндра, сферы, купола или тому подобного. Все признаки, описанные здесь для светоизлучающего устройства, соответствующей настоящему изобретению, могут быть применены к светоизлучающему устройству, изготовленному в соответствии с упомянутым способом.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение относится к осветительному устройству, содержащему описанное здесь светоизлучающее устройство.
Отметим, что настоящее изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, указанных в пунктах Формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Различные аспекты изобретения, включая его конкретные признаки и преимущества, будут легко поняты из приведенного далее подробного описания и сопровождающих чертежей, из которых:
на Фиг. 1а и Фиг. 1b изображено светоизлучающее устройство, соответствующее известной технологии;
на Фиг. 2а изображено светоизлучающее устройство, соответствующее варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг. 2b изображены различные формы света, создающие итоговый световой выход, согласно варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг. 2с изображено светоизлучающее устройство, соответствующееая варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг. 3 изображены оптические структуры для поверхностей рассеивающего элемента согласно варианту реализации настоящего изобретения;
на Фиг. 4 приведена блок-схема способа, соответствующего варианту реализации настоящего изобретения; и
на Фиг. 5а-5d изображены рассеивающие элементы, соответствующие вариантам реализации настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теперь настоящее изобретение будет описано более полно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показаны варианты реализации настоящего изобретения, являющиеся предпочтительными в настоящее время. Однако это изобретение может быть реализовано во множестве других форм и не должно восприниматься как ограниченное рассмотренными здесь вариантами, скорее, эти варианты представлены для обеспечения полноты и законченности и полностью передают объем настоящего изобретения специалисту. Похожие элементы обозначены похожими ссылочными обозначениями.
На Фиг. 1а изображено светоизлучающее устройство 1, соответствующее известному уровню техники. Светоизлучающее устройство 1 содержит источник 2 света и рассеивающий лист 4. Рассеивающий лист 4 установлен на расстоянии 6 от источника 2 света. Расстояние 6 между рассеивающим листом 4 и источником 2 света, а также размер рассеивающего листа 4 задают телесный угол 8 в светоизлучающем устройстве 1. Телесный угол 8 определяет то, насколько много света от источника 2 света используется в светоизлучающем устройстве 1 при рассеивании рассеивающим листом 4.
Существует потребность в создании оптических конструкций меньшего размера, подобных светоизлучающему устройству 1 на Фиг. 1а. Чтобы сделать светоизлучающее устройство 1 на Фиг. 1а меньше, при известном уровне техники предлагается светоизлучающее устройство 1', показанное на Фиг. 1b. Это светоизлучающее устройство 1' имеет меньшее расстояние 6' между рассеивающим листом 4 и источником 2 света, что обеспечивает больший телесный угол 8'. При этом в светоизлучающем устройстве 1' используется большее количество света от источника 2 света. Однако существует ограничение в том, насколько близко рассеивающий лист 4 может быть установлен к источнику 2 света без превышения максимального уровня яркости.
Теперь перейдем к настоящему изобретению, на Фиг. 2 изображено светоизлучающее устройство 20, соответствующее варианту его реализации. Светоизлучающее устройство 20 содержит источник 22 света и рассеивающий элемент 24. Центральная область 27b рассеивающего элемента 24 установлена на расстоянии 16 от источника 22 света. Свет от источника 22 света идет в направлении А выхода света к рассеивающему элементу 24. Рассеивающий элемент 24 обеспечен в трехмерной форме перед источником 22 света в направлении А выхода света. Это обеспечивает больший телесный угол 18 по сравнению с известным уровнем техники, без превышения максимального уровня яркости.
Как видно на Фиг. 2а, источник 22 света излучает свет 26 в направлении рассеивающего элемента 24. Рассеивающий элемент 24 имеет разные области 27а-27с с разными оптическими характеристиками. В варианте реализации настоящего изобретения, соответствующем Фиг. 2а, оптические характеристики обеспечиваются как оптические структуры на верхней 25а и/или нижней 25b поверхности рассеивающего элемента 24. Разные области 27а-27с с разными оптическими структурами приводят к тому, что свет от источника 22 света рассеивается по-разному в разных областях 27а-27с этого элемента 24. Выходящий свет от светоизлучающего устройства 20 имеет разные формы 28а-28с в разных областях рассеивающего элемента 24. Как показано на Фиг. 2b, разные формы 28а-28с в разных областях предназначены для создания требуемого итогового светового выхода 29 от светоизлучающего устройства 20.
Выбор оптических характеристик для определенной области 27с рассеивающего элемента 24 может зависеть от положения этой области 27с относительно источника 22 света. Как видно на Фиг. 2с, положение может определяться углом D между направлением В, перпендикулярным к поверхности 25b области 27с, и направлением С от источника 22 света в направлении области 27с. Этот угол D может также быть описан как угол падения для света 26 от источника 22 света на рассеивающий элемент 24. Выбор оптических характеристик для области 27с может дополнительно выполняться в зависимости от расстояния между областью 27с и источником 22 света.
Как изображено на Фиг. 3, поверхность или поверхности 25 рассеивающего элемента 24 могут содержать разные типы оптической структуры, чтобы обеспечить разные свойства рассеивания в разных областях 27а-27с рассеивающего элемента 24. Рассеивающий элемент 24 может быть снабжен односторонней волнистой структурой 32, двухсторонней волнистой структурой 33, причем волнистая структура на верхней поверхности может быть расположена перпендикулярно по сравнению со структурой на нижней поверхности, односторонней преломляющей структурой 34, двухсторонней преломляющей структурой 35, односторонней структурой 36 в виде массива линз или двусторонней структурой 37 в виде массива линз. Любая двухсторонняя структура может быть создана односторонней структурой, расположенной перпендикулярно по сравнению со структурой другой стороны. В одном и том же рассеивающем элементе 24 могут быть созданы одна или несколько этих структур. В разных областях рассеивающего элемента 24 могут быть созданы структуры разного типа и разного размера. Разные типы оптических структур 32-37 выполняют разные функции рассеивания. Оптическую структуру для определенной области 27а-27с выбирают, чтобы оптимизировать функцию рассеивания и функцию формирования луча для этой конкретной области. Это делается, чтобы оптимизировать световой выход, а также уменьшить обратное рассеивание светоизлучающего устройства.
На Фиг. 4 изображен способ 100, соответствующий варианту реализации настоящего изобретения. Способ 100 содержит этап 102 изготовления рассеивающего листа с разными оптическими характеристиками в разных областях этого листа. Таким образом, рассеивающий лист изготавливают как двухмерный лист. Оптические характеристики могут создаваться оптической структурой, по меньшей мере, на одной поверхности рассеивающего листа, и такая оптическая структура может быть выдавлена или выфрезерована в материале листа. В качестве альтернативы, оптическая структура может быть добавлена к материалу рассеивающего листа как прикрепленный слой или пленка.
На следующем этапе 104 рассеивающий лист устанавливают в трехмерной форме перед источником света. Таким образом, изготавливают светоизлучающее устройство, содержащее трехмерный рассеивающий элемент перед источником света, где рассеивающий элемент имеет разные оптические характеристики в его разных областях.
Такие способ 100 и устройство 20, как описаны выше, дополнительно изображены на Фиг. 5а - Фиг. 5d, где двумерные рассеивающие элементы 40, 50, 60, 70 в форме листов обеспечены в трехмерной форме 42, 52, 62, 72 перед источниками 44, 54, 64, 74 света. Как видно на Фиг. 5а, рассеивающий элемент 40 установлен в форме 42 конуса. Как видно на Фиг. 5b, рассеивающий элемент 50 установлен в форме 52 короба. Рассеивающий элемент также может иметь криволинейную форму. Как видно на Фиг. 5с, рассеивающий элемент 60 установлен в форме 62 туннеля или части цилиндра. Как видно на Фиг. 5d рассеивающий элемент 60 установлен в форме 72 купола.
Специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничивается описанными выше предпочтительными вариантами его реализации. Наоборот, возможны многочисленные модификации и вариации, не выходящие за пределы объема, указанного в пунктах приложенной Формулы изобретения. Например, рассеивающий элемент может быть обеспечен в любой трехмерной форме перед источником света светоизлучающего устройства, соответствующего настоящему изобретению.
В дополнение к этому, вариации описанных вариантов могут быть поняты специалистом в данной области техники и могут быть реализованы им при воплощении на практике предлагаемого изобретения, в результате изучения чертежей, описания и приложенной Формулы изобретения. В пунктах Формулы изобретения слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, указание в единственном числе не исключает наличия множества. Функции нескольких элементов, указанных в пунктах Формулы изобретения, могут быть исполнены одним процессором или другим блоком. Простой факт того, что определенные меры приведены в разных зависимых пунктах не указывает на то, что для получения преимуществ не может быть использована комбинация этих мер.