Подсвечиваемое устройство индикации

Область техники
Полезная модель относится к области подсвечиваемых устройств индикации, используемых в умных колонках и других подобных устройствах для равномерно подсвечиваемых полупрозрачных поверхностей в виде экранов, индикаторов или кнопок в условиях ограниченного пространства.
Описание предшествующего уровня техники
В уровне техники известно множество подсвечиваемых устройств индикации, используемых для генерирования равномерно подсвечиваемых индикаторов в виде символов или знаков, полупрозрачных поверхностей экранов, индикаторов и тому подобное.
В патенте RU 2364904 C1, IPC G02F 1/1335, опубл. 20.08.2009г. раскрыто устройства задней подсветки, используемое для обеспечения однородного освещения жидкокристаллической панели светом светоизлучающих диодов (СИД) и может быть применено в жидкокристаллических (LCD) телевизорах, промышленных дисплеях и других устройствах с задней подсветкой. Устройство задней подсветки содержит множество расположенных отдельно друг от друга светоизлучающих диодов (СИД), светонаправляющую пластину, изготовленную из прозрачного оптического материала, которая имеет первую поверхность и вторую поверхность, снабженную множеством углублений, а также отражающую пластину, расположенную под светонаправляющей пластиной. Боковые поверхности углублений имеют форму, обеспечивающую возможность полного внутреннего отражения части света, испущенной светоизлучающими поверхностями СИДов в угловой апертуре α=±arcsin(l/n) от нормали к светоизлучающим поверхностям СИДов, где n - показатель преломления прозрачного оптического материала, при этом, по меньшей мере, одна из поверхностей светонаправляющей пластины содержит световыводящее средство. Недостатком указанного устройства является большое количество оптических элементов, вызывающих определенную сложность их юстировки для получения требуемого освещения поверхности панели изображения.
В патенте RU 2563212 С1, IPC F21V 9/14, опубл.20.09.2015г. раскрыт тонкий поляризатор на жидких кристаллах, который может использоваться в антиослепительных системах, базирующихся в своей работе на поляризованном излучении для повышения безопасности движения транспортных средств, а также в устройствах отображения информации. Тонкий поляризатор содержит систему пространственных разделителей поляризационных составляющих излучения в виде двух последовательно установленных пленок двулучепреломляющего вещества на молекулах жидких кристаллов (1), оптически прозрачное диэлектрическое вещество (7), пространственно согласующий вращатель поляризационных составляющих излучения (3), блок формирования управляющих потенциалов. В данном патенте раскрыта возможность получения поляризованного света в целях безопасности движения, но не раскрываются методы получения равномерного освещения при одновременном поддержании заданной интенсивности излучения.
Из уровня техники известно техническое решение, которое относится к ближайшему патентному аналогу заявленной полезной модели, и которое раскрыто в полезной модели CN 203608486 U, IPC H05K 5/02, опубл. 21.05.2014г., см. фиг.4а, в которой раскрыт “Механизм панели и электронное устройство”. Полезная модель раскрывает панельный механизм и электронное устройство. Механизм панели содержит панель 1, элемент 4 фокусировки света для фокусировки света, выполненный из двулучепреломляющего материала и световой индикатор 2. Панель 1 снабжена портом 11 с торцевой поверхностью 11, а индикатор 2 состояния порта расположен напротив порта 11. Элемент 4 фокусировки света расположен на световом индикаторе 2. Свет, излучаемый световым индикатором 2 с источником излучения 21, фокусируется элементом 4 фокусировки света и передается в порт 11. Электронное устройство оснащено панельным механизмом. В механизме панели и электронном устройстве, предоставленном полезной моделью, элемент 4 фокусировки света расположен на световом индикаторе 2, а свет, излучаемый световым индикатором 2, фокусируется элементом 4 фокусировки света и передается в порт 11. Даже если расстояние между световым индикатором 2 и панелью 1 большое, интенсивность света, достигающего порта, может быть высокой и удовлетворять требованиям индикации состояния порта. В известном решении двулучепреломляющий материал обеспечивает сбор и фокусировку света, испускаемого источником 21 излучения. Но недостатком указанного решения является неравномерное распределение света в области порта 11 панели 1, что значительно ухудшает качество подсветки.
Однако многие применения источников излучения, используемые в данной области, имеют ограничения по пространству и освещению. Поэтому очень часто для целей экономии пространства используются небольшие источники света, такие как светодиоды, эти устройства требуют дополнительных оптических средств для создания требуемых параметров освещения. Например, в некоторых применениях требуется обеспечить источник света с хорошо коллимированным светом, или освещением, которое по существу равномерно на площади, т.е. требуется обеспечить подсветку устройства индикации, с обеспечением равномерно освещаемой поверхности, но при этом, не занимающую много места.
В настоящее время в технике широко используются мультимедиа-платформы, такие как умные колонки. Такие устройства относятся к классу интеллектуальной техники и представляют собой колонки со встроенными центральным процессором, микрофоном, видеокамерой и другими электронными элементами, представляющими собой устройства, выполняющие отдельные функции. Такие умные колонки могут быть подключены к интернету или облаку для обработки пользовательских запросов, загрузки контента и т.д.
Одним из представителей таких устройств являются умные колонки, производимые патентообладателем настоящей заявки, ООО «Яндекс», которые стали очень популярными среди пользователей, и поэтому постоянно ведется разработка улучшенных новых версий этого устройства для расширения функциональных возможностей, которыми пользователи могут пользоваться. Умные колонки «Яндекс.Станция Мини» или «Яндекс.Станция Мини 2» от ООО «Яндекс» имеют ограниченное пространство для размещения дополнительных оптических элементов в виде световодов, рассеивателей и подобных оптических элементов в корпусе умного устройства для обеспечения равномерной подсветки индикаторов с сохранением интенсивности их излучения.
Таким образом, одной из важных задач известных подсвечиваемых устройств индикации для умной колонки является обеспечение равномерной подсветки, с сохранением ее интенсивности, что является одной из проблем, в силу небольших размеров поверхностей подсветки индикаторных панелей и устройств.
Авторы полезной модели провели ряд экспериментальных исследований и получили подсвечиваемое устройство индикации для умной колонки, которое обеспечивает равномерную подсветку индикатора, с сохранением ее интенсивности, в условиях ограниченного пространства корпуса умной колонки.
При этом подсвечиваемое устройство индикации заявленной полезной модели выполнено с возможностью функционирования виде кнопки включения/выключения умной колонки, или средства регулирования громкости, или других функций индикаторов умной колонки.
Сущность полезной модели
Согласно полезной модели предложено подсвечиваемое устройство индикации, расположенное в корпусе и содержащее расположенные на подложке источники излучения и индикаторы, расположенные в одной из стенок корпуса, поверх источников излучения, при этом каждому источнику излучения соответствует определенный индикатор, и между одним из источников излучения и соответствующим индикатором расположен один слой двумерной линзы Френеля, а между другим из источников излучения и соответствующим индикатором расположен стек из двух слоев двумерных линз Френеля, наложенных друг над другом под углом 90 градусов, при этом слой двумерной линзы Френели и стек из двух слоев двумерных линз Френеля расположены таким образом, что обеспечивают заданные диаграммы распределения излучения на соответствующих индикаторах.
В подсвечиваемом устройстве индикации устройство излучения представляет собой светодиод (СИД).
В подсвечиваемом устройстве индикации источники излучения представляют собой направленные источники излучения одного цвета или источники излучения различных цветов и обеспечивают излучение красного, желтого, синего, зеленого цветов.
Кроме того, в подсвечиваемое устройство индикации индикаторы выполнены из полупрозрачного материала и могут быть выполнены в виде кнопки включения, кнопки выключения, метки «+», метки «-», регулятора громкости.
При этом полупрозрачный материал, из которого выполнены индикаторы, представляет собой стекло, прозрачный пластик, плексиглаз.
Следует отметить, что слой двумерной линзы Френеля расположен между одним из источников излучения и соответствующим индикатором, в непосредственной близости к указанному индикатору, с возможностью обеспечения заданной диаграммы распределения излучения на соответствующем индикаторе.
Кроме того, в подсвечиваемом устройство индикации стек из двух слоев двумерных линз Френеля расположен между одним из источников излучения и соответствующим индикатором, в непосредственной близости к указанному индикатору, с возможностью обеспечения заданной диаграммы распределения излучения на соответствующем индикаторе.
В подсвечиваемом устройство индикации слой двумерной линзы Френеля расположен между одним из источников освещения и соответствующим индикатором, на заданном расстоянии от заданного индикатора, с возможностью обеспечения заданной диаграммы распределения излучения на соответствующем индикаторе.
Кроме того, в подсвечиваемом устройство индикации стек из двух слоев двумерных линз Френеля расположен между одним из источников излучения и соответствующим индикатором, на заданном расстоянии от указанного индикатора, с возможностью обеспечения заданной диаграммы распределения излучения на соответствующем индикаторе.
При этом подложка представляет собой печатную плату, запитываемую от источника питания по сигналу от блока управления.
А заданная диаграмма распределения излучения, формируемая заявленным подсвечиваемым устройством индикации, представляет собой более яркую подсветку по краям индикатора и по градиенту убывающую к центру индикатора.
Кроме того, подсвечиваемое устройство согласно полезной модели выполнено с возможностью интегрирования в корпус умного устройства.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
фиг. 1 иллюстрирует внешний вид умной колонки согласно заявленной полезной модели;
фиг. 2 иллюстрирует внешний вид крышки умной колонки с индикаторами «+» и «-», представляющими регуляторы громкости согласно заявленной полезной модели;
фиг.3 иллюстрирует схему подсвечиваемого устройства индикации для умной колонки согласно заявленной полезной модели;
фиг. 4а иллюстрирует схему устройства индикации, согласно известному уровню техники (полезная модель CN 203608486 U);
фиг.4b иллюстрирует изображение, формируемое устройством подсветки на основе СИД, в котором отсутствует слой двумерной линзы Френеля;
фиг.5а иллюстрирует изображение, формируемое подсвечиваемым устройством индикации на основе СИД c одним слоем двумерной линзы Френеля согласно заявленной полезной модели.
фиг.5b иллюстрирует изображение, формируемое подсвечиваемым устройством индикации на основе СИД c двумя слоями двумерной линзы Френеля, наложенными друг на друга согласно заявленной полезной модели.
фиг.6 схематично показывает расположение слоя двумерной линзы Френели относительно источника излучения в подсвечиваемом устройстве индикации согласно заявленной полезной модели.
фиг.7 - схематично представлен вид сверху индикаторов на крышке умной колонки согласно Примеру 1 заявленной полезной модели.
Подробное описание полезной модели
Как уже указывалось ранее в настоящем описании умные колонки «Яндекс.Станция Мини» или «Яндекс.Станция Мини 2» от ООО «Яндекс» имеют ограниченное пространство для размещения дополнительных оптических элементов в виде световодов, рассеивателей и подобных оптических элементов в корпусе умного устройства для обеспечения равномерной подсветки индикаторов с сохранением интенсивности их излучения. Пример умной колонки представлен на фиг.1.
Таким образом, задачей заявленной полезной модели, которая относится к подсвечиваемому устройству индикации, является обеспечение равномерной подсветки индикаторов, с сохранением ее интенсивности, в условиях ограниченного пространства устройств, например умных колонок, в которые может встраиваться заявленное подсвечиваемое устройство индикации.
Авторы полезной модели провели ряд экспериментальных исследований и выявили неожиданный эффект пленки на основе двумерной линзы Френеля в условиях ее включения в конструкцию заявленного подсвечиваемого устройства индикации, которое обеспечивает равномерную подсветку индикаторов с заданной картиной распределения света, с сохранением ее интенсивности, в условиях ограниченного пространства корпуса умной колонки.
При этом подсвечиваемое устройство индикации заявленной полезной модели выполнено с возможностью функционирования виде кнопки включения/выключения умной колонки, или средства регулирования громкости или других функций индикаторов умной колонки или подобных устройств.
Таким образом, для устранения недостатков известного уровня техники, заявители используют слои, состоящие из двумерных линз Френеля. Линзы Френеля, согласно классической оптике, состоит из концентрических колец, каждое из которых представляет собой участок конической двумерной линзы Френеля, после преломления выходит практически параллельным пучком поверхности с криволинейным профилем и является элементом поверхности сплошной линзы. Благодаря такой конструкции линза Френеля имеет малую толщину и вес даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы построены таким образом, чтобы снижалась её сферическая аберрация, и лучи точечного источника, в данном случае светодиода, помещённого в фокусе на полупрозрачную поверхность индикатора, что обеспечивает эффекта равномерного распределения излучения в области индикатора.
Пример линзы Френеля раскрыт в Международной публикации WO2007033089(A1), 22.03.2007г. и представлен в настоящем описании в качестве неограничивающего примера.
Авторы изобретения, предложили подсвечиваемое устройство индикации (см. фиг.3), расположенное в корпусе умной колонки, хотя в данном случае указанное подсвечиваемое устройство может быть установлено в любое другое устройство, в котором требуются индикаторы или кнопки, и содержащее подложку 1, на которой установлен по меньшей мере один источник 2 излучения, выполненный в виде светодиода(СИД), по меньшей мере один индикатор 3, выполненный в стенке корпуса, например умной колонки или другого подобного устройства, указанный индикатор представляет собой индикатор 3 с полупрозрачной поверхностью 3а, по меньшей мере один слой 4 двумерной линзы Френеля, расположенный между источником 2 излучения и индикатором 3. Индикатор(ы) 3 могут быть выполнены из любого светопроводящего материала: стекло, прозрачный пластик, плексигласа и т.п., а светодиод представляет собой направленный источник излучения одного или нескольких цветов, например одного из: красного, желтого, синего или зеленого. При этом если один СИД имеет зеленый цвет, а другой - красный цвет, или оба СИД имеют один цвет.
При инициировании работы по меньшей мере одного источника 2 излучения пучок света, испускаемый по меньшей мере одним источником 2 излучения, попадает на слой 4 двумерной линзы Френеля, где он преломляется под заданным углом и, проходя через слой/слои 4 (слои), фокусируются на индикаторах 3 для их подсветки с предварительно заданным профилем излучения. Индикаторы в виде кнопки, метки, выполненные из полупрозрачного материала, могут быть расположены непосредственно примыкающими к слою двумерной линзы Френеля или на расстоянии от него с целью снижения затуханий. Индикаторы 3 могут быть выполнены из любого светопроводящего материала: стекло, прозрачный пластик, плексигласа и т.п.
На фиг. 2 представлен внешний вид стенки, являющейся в данном случае крышкой умной колонки, на которой представлены два индикатора громкости с метками «-» и «+», и далее будет описана работа подсвечиваемого устройства индикации на примере варианта реализации заявленного устройства, представленного на фиг.3.
При этом на фиг.5а представлено изображение индикатора «-» соответствующее наложение одного слоя двумерной линзы Френеля поверх устройства 2 излучения в виде светодиода (СИД), на фиг.4b представлено изображение индикатора с меткой «+» соответствующее наложению двух слоев двумерной линзы Френеля (стек) поверх устройства 2 освещения в виде светодиода (СИД). Как видно на изображениях индикаторов на фиг.5а и 5b, на поверхности индикатора обеспечивается более яркая засветка по краям индикатора, убывающая к центру индикатора, т.е. обеспечивается высокая яркость по краю индикатора и по градиенту убывающая к центру индикатора. При этом такая картина рассеянного пучка, получаемая на поверхности индикатора, обусловлена заданным расположением слоя 4 двумерной линзы Френеля относительно источника 2 излучения и индикатора 3. Следует отметить, что взаимная ориентация слоев 4 двумерной линзы Френеля между собой и относительно источника 2 излучения и индикатора 3 определяет картину или диаграмму рассеянного излучения, которую мы получаем (см. фиг.5b), т.е. более яркая засветка по краям индикатора и по градиенту убывающая к центру индикатора.
В случае встраивания подсвечиваемого устройства в умную колонку, например «Станция Мини 2» требуется подсветить символы "+" и "-" - регуляторы громкости на корпусе устройства. При этом слой двумерной линзы Френеля должны располагаться плоской поверхностью к источнику 2 излучения, см. фиг.6.
Независимо от количества используемых слоев двумерных линз Френеля, указанные слои должны располагаться их плоской частью к источнику 2 излучения, а канавки или ребра (см. фиг.6) линзы Френеля должно быть обращены к полупрозрачной поверхности 3а индикаторов 3.
Для подсветки индикатора 3 в виде символа "-" авторы использовали один слой 4 двумерной линзы Френеля, при этом для краевых пучков, попадающих на края индикатора 3 линза френеля, обеспечивает коллимированный пучок излучения, а пучки света, попадающие в центральную часть индикатора 3, будут иметь рассеянную картину излучения, что наглядно проиллюстрировано на фиг.5а, и в результате обеспечивает на индикаторе изображение одной полоски более яркой по краям и убывающей по яркости в центре индикатора или в центре полоски.
Для индикатора "+" использовали стек («сэндвич») из двух слоев 4 двумерных линз Френеля, наложенных друг на друга вплотную под углом 90 градусов. Далее слои 4 ориентируются, так чтобы канавки одного слоя двумерной линзы Френеля были ориентированы под углом 45 градусов к источнику 2 излучения в виде СИД. Таким образом, наложением слоев 4 друг на друга, мы получим симметричные четыре максимума и при повороте одного слоя 4 двумерной линзы Френеля относительно другого слоя 4 можно получить симметричные фигуры. Таким образом, при наложение указанных слоев 4 под углом 90 градусов относительно друг друга в результате получается картина с изображением метки «+» индикатора 3, при этом для краевых пучков, попадающих на края индикатора линза Френеля, обеспечивается коллимированный пучок излучения, а пучки света, попадающие в центральную часть индикатора 3, будут иметь рассеянную картину излучения, что наглядно проиллюстрировано на фиг.5b, и в результате обеспечивается на индикаторе изображение двух взаимно перпендикулярных пересекающихся полосок в виде символа («+»), более ярких по краям и убывающих по яркости в центре индикатора или в центре полосок.
Фокус и точка схождения пучка излучения выбирается в соответствии с размером индикаторов 3 (или других элементов для подсветки) и характеристик слоев 4 двумерной линзы Френеля.
Следует отметить, что каждый элемент из подсвечиваемого устройства индикации, а именно источники излучения, индикаторы и слой двумерной линзы Френеля, стек из двух слоев двумерных линз Френеля, неразрывно связано друг с другом и каждый из указанных элементов направлен на достижение технического результата заявленной полезной модели, а именно обеспечение заданной диаграммы распределения излучения на индикаторе с одновременным обеспечением равномерной подсветки индикаторов, и с сохранением ее интенсивности, в условиях ограниченного пространства устройств, например умных колонок, в которые может встраиваться заявленное подсвечиваемое устройство индикации.
Авторы провели ряд экспериментальных испытаний, и пришли в результате к конструкции подсвечиваемого устройства индикации со следующими параметрами, и получила следующую зависимость взаимного расположения слоя двумерной линзы Френеля, источника излучения и индикатора, при которых обеспечивается требуемая засветка индикатора.
Эмпирически для светодиода поверхностного монтажа (например, SMD светодиод) типоразмера 0603, у которого 0.7 всей интенсивности излучения распределено в конусе углом 110 градусов, получим следующую примерную линейную зависимость - 1 см удаления слоя двумерной линзы Френеля от светодиода соответствует 1 см между дифракционными максимумами картины рассеяния излучения. Другими словами, с изменением удаления (расстояния) слоя двумерной линзы Френеля от источника освещения в виде светодиода изменяются дифракционные максимумы картины рассеяния излучения, что означает изменение яркости от края метки индикатора к центру засветки метки индикатора. В других вариантах настоящего подхода, например, при использовании поверхностного монтажа другого типоразмера, 0.8 интенсивности излучения распределено в конусе 120 градусов, и так далее.
Пример 1
В одном варианте реализации конструкции заявленного подсвечиваемого устройства индикации согласно полезной модели, представленного на фиг.7, индикаторы вида «+» и «-» располагают равноудаленно от центральной оси умной колонки или оси симметрии цилиндра, форму которого имеет умная колонка (см. фиг.7), при этом расстояние между индикаторами составляет 48,3 мм, причём сами индикаторы вписаны в квадраты со стороной порядка 6,2 мм. Толщина стороны метки индикатора вида «+» и «-» составляет порядка 1 мм. При этом для метки «-» индикатора используются один SMD светодиод типоразмера 0603, а для метки «+» индикатора используются два SMD светодиода 0603, установленные на плате (подложка). При этом слой двумерной линзы Френеля соизмерим с квадратом со стороной размером 6,2 мм, в который вписана метка «-». Слой двумерной линзы Френеля расположен на расстоянии 10 ммот указанного светодиода, а стек из двух слоев двумерной линзы Френеля, расположенных под углом 90 градусов друг относительно друга, который имеет размер соизмеримый с размером квадрата со стороной 6,2 мм, в который вписана метка «+» индикатора, расположен на расстоянии 10 мм от указанного светодиода. В результате такая компоновка подсвечиваемого устройства индикации обеспечивает распределение интенсивности излучения примерно 0,7 в конусе излучения с углом 110 градусов, обеспечивая диаграмму распределения излучения на индикаторе более яркую по краям индикатора и по градиенту убывающую к центру индикатора.
Пример 2
В другом варианте реализации конструкции заявленного подсвечиваемого устройства индикации, согласно полезной модели, индикаторы располагают равноудаленно от центральной оси умной колонки или оси симметрии цилиндра, форму которого имеет умная колонка подобно Примеру 1 на фиг.7, при этом расстояние между индикаторами составляет 50 мм, причём сами индикаторы вписаны в квадраты со стороной порядка 7 мм. Толщина стороны метки индикатора вида «+» и «-» (или индикаторов вида «старт» и «стоп») составляет порядка 2 мм. Слой двумерной линзы Френеля расположен на расстоянии 12 мм от указанного светодиода, а стек из двух слоев двумерной линзы Френеля, расположенных под углом 90 градусов друг относительно друга, который имеет размер соизмеримый с размером квадрата со стороной порядка 7 мм, в который вписана метка «+» индикатора, расположен на расстоянии 12 мм от указанного светодиода. В результате такая компоновка подсвечиваемого устройства индикации обеспечивает распределение интенсивности излучения примерно 0,8 в конусе излучения с углом 120 градусов, обеспечивая диаграмму распределения излучения на индикаторе более яркую по краям индикатора и по градиенту убывающую к центру индикатора.
Таким образом, конструкция заявленного подсвечиваемого устройства индикации согласно полезной модели, который позволяет повысить яркость излучения источника 2 излучения в виде СИД по сравнению с известными аналогичными устройствами. При этом на основании, проведенных авторами полезной модели, экспериментальных исследований один слой двумерной линзы Френеля обеспечивает увеличение яркости до 60%, а стек из двух слоев двумерной линзы Френеля, расположенных под углом 90°, обеспечивает увеличение яркости до 120% за счёт концентрации нескольких пучков в выбранных областях. Эта повышенная яркость может быть использована для экономии энергии за счёт снижения яркости начального излучения.
Промышленная применимость
Подсвечиваемое устройство индикации согласно полезной модели может быть использовано для равномерной подсветки любой полупрозрачной поверхности, кнопок включения/выключения, средства регулирования громкости или других функций индикаторов различных устройств, например умной колонки, электронных мобильных устройств, мобильных телефонов, смартфонов или планшетов.