СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
LIGHT-EMITTING DEVICE

Область техники
Изобретение относится к светоизлучающему устройству, имеющему множество источников света и световод. Изобретение дополнительно относится к лампе, светильнику или осветительной системе, содержащим такое светоизлучающее устройство.
Уровень техники
Источники света с высокой интенсивностью и, в частности, источники белого (дневного) света с высокой интенсивностью представляют интерес для различных областей применения, включая точечные источники света, сценическое освещение, автомобильное освещение и цифровое световое проецирование. Для таких целей можно использовать так называемые "концентраторы светового излучения", в которых свет с короткой длиной волны преобразуется в свет с большей длиной волн в высоко прозрачном люминесцентном материале. Такой прозрачный люминесцентный материал освещают светодиодами (СИДами) с получением более длинных волн внутри люминесцентного материала. Преобразованный свет, который будет распространяться в прозрачном материале как в волноводе, извлекается с поверхности, что ведет к приросту интенсивности и, таким образом, к приросту яркости.
В документе WO 2012/056382 А1, согласно одному варианту осуществления, описано осветительное устройство для такой цели, которое содержит волновод, один источник света и множество световыводящих средств. Волновод может быть снабжен люминесцентным материалом, расположенным на или в волноводе, и, таким образом, может быть выполнен с возможностью преобразования света от источника света в излучение люминесцентного материала.
Световой выход затем может быть увеличен путем введения большего количества света, удлинения световода и увеличения числа СИДов, которые используются для освещения люминесцентного концентратора. Однако в результате собственного поглощения в люминесцентном материале, а также увеличенного вывода света из-за СИДов, чем больше и, в частности, чем длиннее световод, тем больше света будет теряться, что, в свою очередь, ведет к снижению прироста интенсивности света, излученного световодом и, таким образом, светоизлучающим устройством. Таким образом, масштабируемость светоизлучающего устройства ощутимо снижается.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является преодоление этой проблемы и предложение светоизлучающего устройства, при использовании которого можно объединить свет, распространяющийся в этом устройстве в разных направлениях, так, чтобы получить улучшенную масштабируемость, и при использовании которого обеспечивают высокую выходную интенсивность и снизить или даже устранить потери света также и для светоизлучающих устройств, содержащих относительно большие и/или длинные световоды.
Согласно первому аспекту изобретения, эта и другие задачи решаются при помощи светоизлучающего устройства, содержащего множество первых источников света, выполненных с возможностью излучения во время работы первого света с первым спектральным распределением, и первый световод, содержащий первую поверхность ввода света, причем первый световод выполнен с возможностью приема первого света с первым спектральным распределением на первой поверхности ввода света, преобразования по меньшей мере части первого света с первым спектральным распределением во второй свет со вторым спектральным распределением и направления второго света к первой поверхности ввода света, причем это устройство дополнительно содержит первый световыводящий элемент, для вывода света из первой поверхности ввода света, расположенный в или на первой поверхности ввода света в заранее выбранном месте на плоскости, в которой простирается эта первая поверхность ввода света.
За счет обеспечения множества первых источников света можно значительно повысить интенсивность и, таким образом, яркость светового выхода.
За счет обеспечения первого световыводящего элемента для вывода света из первой поверхности ввода света и, в частности, за счет расположения первого световыводящего элемента в или на первой поверхности ввода света в заранее выбранном месте на плоскости, в которой простирается эта поверхность, можно объединить свет, распространяющийся в световоде в разных направлениях, в частности, свет, происходящий от каждого из множества источников света, так как весь или большая часть света, выводимого из световода, выводится посредством световыводящего элемента. Кроме того, точное место вывода света из световода может, как следствие, быть выбрано в соответствии с требованиями конкретной области применения, например, таким образом, чтобы вывести свет в требуемом направлении и/или обеспечить требуемый размер точки света, выводимого из светоизлучающего устройства. За счет этого можно обеспечить светоизлучающее устройство, имеющее значительно улучшенную масштабируемость.
За счет обеспечения световода, выполненного с возможностью преобразования по меньшей мере части введенного света в преобразованный свет с другим спектральным распределением, обеспечивают световод, при использовании которого чрезвычайно большое количество преобразованного света будет оставаться в этом световоде и может быть извлечено с одной из поверхностей, что, в свою очередь, ведет к чрезвычайно высокому приросту интенсивности. Это также способствует улучшению масштабируемости светоизлучающего устройства.
За счет обеспечения световыводящего элемента у той же или на той же поверхности, где свет вводится от источников света, получают особенно компактное светоизлучающее устройство.
В одном варианте осуществления первый световыводящий элемент расположен в или на первой поверхности ввода света в центре плоскости, в которой простирается эта первая поверхность ввода света.
В одном варианте осуществления первая поверхность ввода света включает периферическую границу, и первый световыводящий элемент расположен в месте на этой первой поверхности вывода света, которое находится в положении, где любое расстояние, перпендикулярное периферической границе, является максимально возможным, причем всем расстояниям, перпендикулярным периферической границе, присвоен одинаковый вес.
За счет любого из двух вышеуказанных вариантов обеспечивают светоизлучающее устройство с особенно простой конструкцией и особенно высокой масштабируемостью.
В одном варианте осуществления первый световод дополнительно выполнен с возможностью приема первого света с первым спектральным распределением на второй поверхности, которая простирается параллельно первой поверхности ввода света и расположена напротив нее.
Таким путем в первый световод можно ввести больше света, что ведет к дальнейшему повышению интенсивности светового выхода.
В одном варианте осуществления первый световыводящий элемент выбирают из группы, содержащей шероховатость части первой поверхности ввода света, дифракционный элемент, преломляющий элемент, отражающий элемент, рассеивающий элемент, выемку определенной формы, предусмотренную в первой поверхности ввода света, выступ определенной формы, предусмотренный на первой поверхности ввода света, люминесцентный элемент, пикселированный люминесцентный элемент и их сочетания.
За счет обеспечения световыводящего элемента в виде любого из шероховатости части первой поверхности ввода света, дифракционного элемента, преломляющего элемента, отражающего элемента, рассеивающего элемента, выемки определенной формы, предусмотренной в первой поверхности ввода света, и выступа определенной формы, предусмотренного на первой поверхности ввода света, обеспечивают светоизлучающее устройство, имеющее чрезвычайно простую конструкцию с эффективным выводом света с поверхности выхода света при помощи световыводящего элемента.
За счет обеспечения световыводящего элемента в виде люминесцентного элемента или пикселированного люминесцентного элемента, обеспечивают светоизлучающее устройство, при использовании которого можно управлять цветом света, выводимого с поверхности выхода света при помощи световыводящего элемента, в частности, с обеспечением светового выхода светоизлучающего устройства, имеющего или состоящего из более чем одного цвета, такого как белый свет.
В одном варианте осуществления первый световыводящий элемент для вывода света из первой поверхности ввода света, содержит по меньшей мере две области с разными оптическими характеристиками, причем упомянутые по меньшей мере две области расположены рядом друг с другом в любом из направления, параллельного первой поверхности ввода света, или направления, по существу перпендикулярного первой поверхности ввода света.
Таким образом, за счет обеспечения двух областей с разными оптическими характеристиками, например, содержащих материалы с преобразованием в разную длину волн, можно дополнительно регулировать характеристики светового выхода.
В одном варианте осуществления светоизлучающее устройство дополнительно содержит второй световыводящий элемент для вывода света из второй поверхности, расположенный в или на поверхности первого световода напротив первого световыводящего элемента, и при этом вторая поверхность простирается параллельно первой поверхности ввода света и расположена напротив нее и напротив первого световыводящего элемента.
За счет вышеуказанного варианта осуществления обеспечивают светоизлучающее устройство, при использовании которого свет можно выводить одновременно в более чем одном направлении.
За счет расположения второго световыводящего элемента на поверхности, параллельной первой поверхности ввода света и расположенной напротив нее и, в частности, в положении напротив первого световыводящего элемента, второй световыводящий элемент можно использовать для вывода света, отраженного обратно в световод первым световыводящим элементом. Это расположение особенно выгодно в случае отражающего первого световыводящего элемента.
В вариантах осуществления одним световыводящим элементом снабжены дополнительные поверхности. Например, брусок или стержень могут быть снабжены четырьмя продольными поверхностями, выполненными в виде поверхностей, на каждой из которых расположен световыводящий элемент. В дополнительном варианте осуществления четыре световыводящих структуры выполнены в виде одного непрерывного световыводящего элемента, простирающегося вокруг световода. В еще одном варианте осуществления световод представляет собой цилиндр, причем непрерывный круговой световыводящий элемент окружает этот цилиндр.
В некоторых вариантах осуществления площадь первого световыводящего элемента более чем в два раза меньше площади первой поверхности ввода света, более чем в десять раз меньше площади первой поверхности ввода света или более чем в сто раз меньше площади первой поверхности ввода света.
За счет уменьшения площади первого световыводящего элемента можно дополнительно повысить интенсивность светового выхода, в частности, поскольку свет выводится из световода только в первом световыводящем элементе.
В одном варианте осуществления светоизлучающее устройство дополнительно содержит один или более из первого отражающего элемента, расположенного у или на по меньшей мере одной из одной или более дополнительных поверхностей первого световода, второго отражающего элемента, расположенного у поверхности, которая простирается параллельно первой поверхности ввода света и расположена напротив нее, и по меньшей мере одного третьего отражающего элемента, расположенного у части первой поверхности ввода света.
Обеспечение световода светоизлучающего устройства первым отражающим элементом, расположенным у дополнительной поверхности световода, в частности, дополнительной поверхности, простирающейся параллельно требуемой поверхности выхода света и напротив нее, приводит к тому, что световые лучи, падающие на этот первый отражающий элемент, будут отражаться обратно через световод на требуемую поверхность выхода света световода, где световые лучи могут покидать световод.
Обеспечение световода светоизлучающего устройства по меньшей мере одним третьим отражающим элементом, расположенным у первой поверхности ввода света, дополнительно увеличивает вышеуказанный эффект.
За счет этого повышается интенсивность света, выходящего через требуемую поверхность выхода света.
За счет дополнительного обеспечения второго отражающего элемента, находящегося у поверхности, простирающейся параллельно первой поверхности ввода света и расположенной напротив нее, световые лучи, которые попадают на этот второй отражающий элемент, отражаются обратно в световод в направлении противоположной поверхности, у или на которой расположен первый световыводящий элемент. За счет этого можно дополнительно повысить интенсивность света, покидающего световод у первого световыводящего элемента.
Таким путем значительно уменьшается количество света, теряющегося через поверхности световода, отличные от поверхности выхода света. Таким образом, получают значительное повышение интенсивности света, излучаемого светоизлучающим устройством. Кроме того, получают более высокие интенсивности на поверхности у первого световыводящего элемента, что, в свою очередь, обеспечивает более высокую светимость, что является выгодным, в частности, в таких областях применения, как проекторы, например, светоклапанные проекторы, точечные источники света, передние фары транспортных средств и т.д.
В одном варианте осуществления светоизлучающее устройство дополнительно содержит множество вторых источников света, выполненных с возможностью излучения во время работы третьего света с третьим спектральным распределением, и второй световод, содержащий вторую поверхность ввода света, причем второй световод выполнен с возможностью приема третьего света с третьим спектральным распределением на второй поверхности ввода света, преобразования по меньшей мере части третьего света с третьим спектральным распределением в четвертый свет с четвертым спектральным распределением и направления четвертого света ко второй поверхности ввода света, причем светоизлучающее устройство дополнительно содержит один третий световыводящий элемент для вывода света из второй поверхности ввода света, расположенный в или на второй поверхности ввода света в заранее выбранном месте на плоскости, в которой простирается эта вторая поверхность ввода света.
В одном варианте осуществления третий световыводящий элемент расположен в или на второй поверхности ввода света в центре плоскости, в которой простирается эта вторая поверхность ввода света.
В одном варианте осуществления вторая поверхность ввода света включает периферическую границу, и третий световыводящий элемент расположен в точке на второй поверхности ввода света, которая находится в таком месте, где любое расстояние, перпендикулярное периферической границе, является максимально возможным, причем всем расстояниям, перпендикулярным периферической границе, присвоен одинаковый вес.
В одном варианте осуществления первый световод и второй световод расположены друг относительно друга таким образом, что плоскость первой поверхности ввода света и плоскость второй поверхности ввода света обращены друг от друга. Это обеспечивает светоизлучающее устройство, которое излучает свет в по меньшей мере двух направлениях.
В одном варианте осуществления первый световыводящий элемент и третий световыводящий элемент предусмотрены в виде одного общего световыводящего элемента. В дополнительном варианте осуществления общий световыводящий элемент простирается, по меньшей мере частично, вокруг первого и второго световодов.
Эти варианты осуществления позволяют получить светоизлучающее устройство, излучающее свет с еще более высокими интенсивностью или яркостью и имеющее еще более улучшенную масштабируемость, в частности, поскольку площадь излучающей поверхности можно простым образом увеличить путем добавления дополнительных световодов в светоизлучающее устройство. Кроме того, эти варианты осуществления обеспечивают дополнительные параметры, используемые для получения различных геометрических конфигураций светоизлучающего устройства и/или цвета, размера и формы пучка света, излучаемого светоизлучающим устройством.
Изобретение, кроме того, относится к лампе, светильнику или осветительной системе, содержащим светоизлучающее устройство в соответствие с любым из предыдущих пунктов формулы изобретения, используемым в одной или более из следующих областей применения: цифровое проецирование, автомобильное освещение, сценическое освещение, освещение магазинов, домашнее освещение, подсветка, точечное освещение, театральное освещение, волоконно-оптическое освещение, системы отображения, системы предупредительного освещения, варианты медицинского освещения, варианты декоративного освещения.
Отметим, что изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, указанных в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Этот и другие аспекты настоящего изобретения теперь будут описаны более подробно, со ссылкой на приложенные чертежи, иллюстрирующие вариант(ы) осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1 показывает вид сбоку световода, который у выходной поверхности снабжен фильтром, предназначенным для обеспечения фильтрованного светового выхода, и дихроичным оптическим элементом для объединения фильтрованного светового выхода со светом от дополнительных источников света.
Фиг.2А и 2В показывают два разных варианта осуществления световода, снабженного теплоотводящим элементом, расположенным рядом с поверхностью световода.
Фиг.3 показывает общий вид по варианту осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением.
Фиг.4 показывает вид в разрезе вдоль линии Х-Х светоизлучающего устройства по Фиг.3.
Фиг.5А - Фиг.5G показывают виды с торца различных вариантов осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением, которые отличаются разными световыводящими элементами для вывода света из световода светоизлучающего устройства.
Фиг.6 показывает вид с торца варианта осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением.
Фиг.7 показывает вид с торца варианта осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением.
Фиг.8 показывает вид с торца варианта осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением.
Фиг.9 показывает общий вид варианта осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением.
Фиг.10 показывает вид в разрезе вдоль линии XVIII-XVIII светоизлучающего устройства по Фиг.9.
Как видно на фигурах, размеры слоев, элементов и областей увеличены с целями иллюстрации и, таким образом, приведены для иллюстрации основных структур по вариантам осуществления настоящего изобретения. Подобные ссылочные позиции относятся к подобным элементам повсюду, так что, например, светоизлучающее устройство в соответствие с изобретением в общем обозначено номером 1, в то время как его разные конкретные варианты осуществления обозначены с добавлением 01, 02, 03 и так далее к основной ссылочной позиции. Что касается Фиг.1 - Фиг.2В, на которых показан ряд особенностей и элементов, которые могут быть добавлены в любой из вариантов осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением, как установлено дополнительно ниже, в общем к обозначениям всех элементов добавлено "00", за исключением тех, которые специфичны для одной из этих фигур.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Теперь настоящее изобретение будет описано более полно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показаны варианты осуществления этого изобретения, являющиеся в настоящее время предпочтительными. Однако это изобретение может быть реализовано во множестве других форм и не должно восприниматься как ограниченное вариантами его осуществления, которые здесь рассмотрены; скорее эти варианты предоставлены лишь для придания полноты и законченности и полностью передают специалисту в данной области техники объем этого изобретения.
Последующее описание начнем с общих соображений, касающихся областей применения, подходящих источников света и подходящих материалов для различных элементов и признаков светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением. С этой целью со ссылкой на Фиг.1, 2А и 2В будет описан ряд признаков и элементов, которые могут быть добавлены в любой из вариантов осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением, которые изложены ниже. Конкретные варианты осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением будут подробно описаны со ссылкой на Фиг.3-10.
Светоизлучающее устройство в соответствие с изобретением может быть использовано в областях применения, включающих, не ограничиваясь этим, лампу, световой модуль, светильник, точечный источник света, вспышку, проектор, устройство цифрового проецирования, автомобильное освещение, например, передние фары или задние фары транспортного средства с двигателем, освещение арены, театральное освещение и архитектурное освещение.
Источники света, являющиеся составной частью вариантов осуществления в соответствие с изобретением, которые изложены ниже, выполнены с возможностью излучения во время работы света с первым спектральным распределением. Этот свет затем вводится в световод или волновод. Световод или волновод преобразует свет с первым спектральным распределением в свет с другим спектральным распределением и направляет свет на выходную поверхность. Источник света, в принципе, может относиться к любому типу точечного источника света, но предпочтительно представляет собой твердотельный источник света, такой как светоизлучающий диод (СИД), лазерный диод или органический светоизлучающий диод (ОСИД), множество СИДов или лазерных диодов, или ОСИДов, либо матрицу СИДов или лазерных диодов, или ОСИДов. Светодиод, в принципе, может представлять собой СИД с излучением любого цвета, но предпочтительно представляет собой источник синего света, создающий свет в диапазоне синего цвета, который определяется как диапазон длин волн от 380 нм до 495 нм. В другом предпочтительном варианте осуществления источник света представляет собой источник ультрафиолетового (УФ) или фиолетового света, т.е. излучающий в диапазоне длин волн менее 420 нм. В случае множества или матрицы СИДов или лазерных диодов, или ОСИДов, они, в принципе, могут представлять собой СИДы или лазерные диоды, или ОСИДы с излучением двух или более разных цветов, таких как, но не ограничиваясь этим, ультрафиолетовый, синий, зеленый, желтый или красный.
Источник света может представлять собой источник красного света, т.е. излучающий в диапазоне длин волн, например, от 600 нм до 800 нм. Такой источник красного света может представлять собой, например, источник красного света по любому из упомянутых выше типов, непосредственно излучающий красный свет или снабженный люминофором, подходящим для преобразования света источника света в красный свет. Он особенно предпочтителен в комбинации со световодом, выполненным с возможностью преобразования света источника света в ИК-свет, т.е. свет с длиной волны более чем примерно 800 нм и предпочтительно с пиковой интенсивностью в диапазоне от 810 до 850 нм. Такой световод может содержать люминофор, излучающее ИК-свет. Светоизлучающее устройство с этими характеристиками особенно выгодно использовать в системах ночного видения, но также можно использовать в любой из областей применения, упомянутых выше.
Другим примером является сочетание первого источника, источника красного света, излучающего свет в диапазоне длин волн от 480 нм до 800 нм и вводящего этот свет в люминесцентный стержень или волновод, и второго источника света, излучающего синий, УФ- или фиолетовый свет, т.е. с длиной волны меньше 480 нм, и также вводящего излученный им свет в люминесцентный волновод или стержень. Свет второго источника света преобразуется люминесцентным волноводом или стержнем в диапазон длин волн от 480 нм до 800 нм, а свет первого источника света, введенный в люминесцентный волновод или стержень, не будет преобразовываться. Другим словами, второй источник света излучает УФ-, фиолетовый или синий свет, который затем преобразуется люминесцентным концентратором в свет в зелено-желто-оранжево-красной спектральной области. В другом варианте осуществления первый источник света излучает в диапазоне длин волн от 500 нм до 600 нм, а свет второго источника света преобразуется люминесцентным волноводом или стержнем в диапазон длин волн от 500 нм до 600 нм. В еще одном варианте осуществления первый источник света излучает в диапазоне длин волн от 600 нм до 750 нм, а свет второго источника света преобразуется люминесцентным волноводом или стержнем в диапазон длин волн от 600 нм до 750 нм. В одном варианте осуществления свет первого источника света вводится в люминесцентный волновод или стержень на поверхности, например, поверхности, противоположной поверхности выхода света, отличной от поверхности, где в люминесцентный волновод или стержень вводится свет второго источника света. Эти варианты осуществления обеспечивают люминесцентный волновод или стержень, излучающий в диапазоне красного света с увеличенной яркостью.
Световоды, которые изложены ниже в вариантах осуществления в соответствие с изобретением, представляют собой световоды, выполненные в форме стержня или бруска, которые имеют высоту Н, ширину W и длину L, простирающиеся во взаимно перпендикулярных направлениях, и в вариантах осуществления изобретения являются прозрачными, либо прозрачными и люминесцентными. В вариантах осуществления высота Н<10 мм, в других вариантах осуществления <5 мм, в еще одних вариантах осуществления <2 мм. В одних вариантах осуществления ширина W<10 мм, в других вариантах осуществления <5 мм, в еще одних вариантах осуществления < 2 мм. Длина L в одних вариантах осуществления больше ширины W и высоты Н, в других вариантах осуществления по меньшей мере в 2 раза больше ширины W или в 2 раза больше высоты Н, в еще одних вариантах осуществления по меньшей мере в 3 раза больше ширины W или в 3 раза больше высоты Н. Аспектное отношение высота Н: ширина W, как правило, составляет 1:1 (например, для общих областей применения источника света), либо 1:2, 1:3 или 1:4 (например, для специальных областей применения источника света, таких как передние фары), либо 4:3, 16:10, 16:9 или 256:135 (например, для применений в устройствах отображения).
Как правило, световоды содержат поверхность ввода света и поверхность выхода света. Чтобы обеспечить световой выход с высокой яркостью и концентрацией, площадь поверхности выхода света может быть меньше площади поверхности ввода света. Поверхность выхода света может иметь любую форму, но предпочтительно выполнена в форме квадрата, прямоугольника, круга, овала, треугольника, пятиугольника или шестиугольника.
Прозрачные световоды в вариантах осуществления могут содержать прозрачную подложку, на которой эпитаксиально выращено множество источников света, например, СИДов. Подложка в вариантах осуществления представляет собой монокристаллическую подложку, такую как подложка из сапфира. В этих вариантах осуществления прозрачная подложка для выращивания источников света представляет собой светоконцентрирующий световод.
Световод, в общем выполненный в форме стержня или бруска, может иметь поперечное сечение любой формы, но в вариантах осуществления имеет квадратную, прямоугольную, круглую, овальную, треугольную, пятиугольную или шестиугольную форму поперечного сечения.
Подходящими материалами для световодов, как изложено ниже, в соответствие с вариантами осуществления изобретения являются сапфир, поликристаллический оксид алюминия и/или нелегированные прозрачные гранаты, такие как АИГ и АЛГ, имеющие показатель преломления n=1,7. Дополнительным преимуществом этого материала (например, по сравнению со стеклом) является то, что он имеет хорошую теплопроводность, что уменьшает локальный нагрев. Другие подходящие материалы включают, не ограничиваясь этим, стекло, кварц и прозрачные полимеры. В других вариантах осуществления материал световода представляет собой свинцовое стекло. Свинцовое стекло - это разновидность стекла, в котором свинец заменяет кальций, содержащийся в типичном калиевом стекле, как следствие, может быть увеличен показатель преломления. Обычное стекло имеет показатель преломления n=1,5, в то время как добавление свинца дает показатель преломления в диапазоне вплоть до 1,7.
Световоды, которые изложены ниже в соответствии с вариантами осуществления, могут содержать подходящий люминесцентный материал для преобразования света с получением другого спектрального распределения. Подходящие люминесцентные материалы, которые используются в изобретении, включают неорганические люминофоры, такие как легированные АИГ, АЛГ, органические люминофоры, органические флуоресцентные красители и квантовые точки, которые особенно подходят для целей вариантов осуществления настоящего изобретения, которые изложены ниже.
2
2
Квантовые точки представляют собой небольшие кристаллы полупроводящего материала, как правило, имеющие ширину или диаметр всего лишь несколько нанометров. При возбуждении падающим светом, квантовая точка излучает свет с цветом, который определяется размером и материалом кристалла. Таким образом, за счет подбора размера точек обеспечивают свет конкретного цвета. Самые известные квантовые точки с излучением в диапазоне видимого света - это точки на основе селенида кадмия (CdSe) с оболочкой, такой как сульфид кадмия (CdS) и сульфид цинка (ZnS). Можно также использовать квантовые точки, не содержащие кадмий, такие как фосфид индия (InP) и сульфид индия-меди (CuInS), и/или сульфид индия-серебра (AgInS). Квантовые точки демонстрируют очень узкую полосу излучения и, таким образом, они показывают насыщенные цвета. Кроме того, цвет излучения можно легко регулировать путем выбора размера квантовых точек. В настоящем изобретении можно использовать любой тип квантовых точек, известный в данной области техники. Однако по соображениям безопасности окружающей среды и заботы о ней может оказаться предпочтительным использование квантовых точек, не содержащих кадмий, или по меньшей мере квантовых точек, имеющих очень низкое содержание кадмия.
Также можно использовать органические флуоресцентные красители. Молекулярная структура может быть выполнена таким образом, чтобы можно было регулировать спектральное положение пиков. Примерами подходящих материалов в виде органических флуоресцентных красителей являются органические люминесцентные материалы на основе производных перилена, например, соединений, продаваемых под наименованием Lumogen компанией BASF. Примеры подходящих соединений включают, не ограничиваясь этим, Lumogen Red F305, Lumogen Orange F240, Lumogen Yellow F083 и Lumogen F170.
3
5
12
3
15
12
1-x
3
x
2-x-z
x
5-y
y
8-y
y
z
Люминесцентный материал также может представлять собой неорганическое люминофор. Примеры материалов-неорганических люминофоров включают, не ограничиваясь этим, легированные церием (Се) АИГ (YAlO) или АЛГ (LuAlO). АИГ, легированный Се, излучает желтоватый свет, в то время как АЛГ, легированный Се, излучает зеленовато-желтый свет. Примеры других материалов-неорганических люминофоров, которые излучают красный свет, могут включать, не ограничиваясь этим, ECAS и BSSN; ECAS представляет собой CaAlSiN:Eu, причем 0<х≤1, предпочтительно 0<х≤0,2, а BSSN представляет собой BaMSiAlNO:Eu, причем М представляет Sr или Ca, 0≤х≤1, 0≤y≤4 и 0,0005≤z≤0,05, а предпочтительно 0≤х≤0,2.
(1-x-y)
x
y
3
(1-z)
z
5
12
(1-x-y)
x
y
2
3
(1-x-y)
x
y
(1-z)
z
(1-x-y)
x
y
(2-x)
x
2
7
(1-x)
x
(1-y)
y
3
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, люминесцентный материал по существу состоит из материала, выбранного из группы, содержащей (M<I>M<II>M<III>)(M<IV>M<V>)O, где M<I> выбирают из группы, содержащей Y, Lu или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Gd, Tb, La, Yb или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu или их смеси, M<VI> представляет собой Al, M<V> выбирают из группы, содержащей Ga, Sc или их смеси, и 0≤х≤1, 0≤y≤0,1, 0≤z≤1, (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбирают из группы, содержащей Y, Lu или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Gd, La, Yb или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu, Bi, Sb или их смеси, и 0≤х≤1, 0≤y≤0,1, (M<I>M<II>M<III>)SSe, где M<I> выбирают из группы, содержащей Ca, Sr, Mg, Ba или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr, Sb, Sn или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей K, Na, Li, Rb, Zn или их смеси, и 0≤х≤0,01, 0≤y≤0,05, 0≤z≤1, (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбирают из группы, содержащей Ca, Sr, Mg, Ba или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей K, Na, Li, Rb, Zn или их смеси, и 0≤х≤0,1, 0≤y≤0,1, (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбирают из группы, содержащей La, Y, Gd, Lu, Ba, Sr или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, Tm или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей Hf, Zr, Ti, Ta, Nb или их смеси, и 0≤х≤1, (M<I>M<II>M<III>M<VI>)O, где M<I> выбирают из группы, содержащей Ba, Sr, Ca, La, Y, Gd, Lu или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, Tm или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей Hf, Zr, Ti, Ta, Nb или их смеси, M<IV> выбирают из группы, содержащей Al, Ga, Sc, Si или их смеси, и 0≤х≤0,1, 0≤y≤0,1, и их смеси.
Люминесцентный световод может иметь центральную длину волны излучения в диапазоне синего цвета или в диапазоне зеленого цвета, или в диапазоне красного цвета. Диапазон синего цвета определен между 380 нм и 495 нм, диапазон зеленого цвета определен между 495 нм и 590 нм, а диапазон красного цвета определен между 590 нм и 800 нм.
Выбор люминофоров, которые можно использовать в вариантах осуществления, в качестве альтернативы или в дополнение к вышеописанным люминофорам, приведен ниже в Таблице 1 вместе с максимальной длиной волны излучения.
<b>Таблица 1</b>
Люминофор
Максимальная длина волны излучения, нм
CaGa2S4:Ce
475
SrGa2S4:Ce
450
BaAl2S4:Eu
470
CaF2:Eu
435
Bi4Si3O12:Ce
470
Ca3Sc2Si3O12:Ce
490
Световоды, которые изложены ниже в соответствии с вариантами осуществления изобретения, могут содержать области с разной плотностью подходящего люминесцентного материала для преобразования света в другое спектральное распределение. В одном варианте осуществления прозрачный световод содержит две части, расположенные рядом друг с другом, только одна из которых содержит люминесцентный материал, а другая часть является прозрачной или имеет относительно низкую концентрацию люминесцентного материала. В другом варианте осуществления световод содержит еще одну, третью часть, расположенную рядом со второй частью, которая содержит другой люминесцентный материал или тот же люминесцентный материал с другой концентрацией. Разные части могут быть сформированы как единое целое, образуя одну деталь или один световод. В одном варианте осуществления между разными частями световода, например, между первой частью и второй частью, может быть расположен частично отражающий элемент. Частично отражающий элемент выполнен с возможностью пропускания света с одной конкретной длиной волны или спектральным распределением и отражения света с другой, отличающейся, конкретной длиной волны или спектральным распределением. Таким образом, частично отражающий элемент может представлять собой дихроичный элемент, такой как дихроичное зеркало.
in
in
in
out
out
in
out
in
out
out
in
in
out
out
out
out
in
in
В вариантах осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением, которые изложены ниже, для эффективного ввода света, излученного источником света, в световод может быть обеспечена связующая структура или связующая среда. Связующая структура может представлять собой преломляющую конструкцию, имеющую характерные особенности, такие, как, например, выступы и выемки, образующие волнообразную структуру. Типичный размер характерных особенностей связующей структуры составляет от 5 мкм до 500 мкм. Форма этих характерных особенностей может быть, например, полусферической (линзы), призматической, синусоидальной или произвольной (например, полученной пескоструйной обработкой). За счет выбора подходящей формы можно регулировать количество света, вводимого в световод. Преломляющие структуры могут быть выполнены механическими средствами, например, с помощью рубки зубилом, пескоструйной обработки или тому подобного. В качестве альтернативы, преломляющие структуры могут быть выполнены путем мультиплицирования в подходящем материале, таком как, например, полимер или материал золь-гель. В качестве альтернативы, связующая структура может представлять собой дифракционную структуру, где типичный размер характерных особенностей в дифракционной связующей структуре составляет от 0,2 мкм до 2 мкм. Углы θ дифракции внутри световода задаются уравнением решетки λ/Λ=n sinθ-n sinθ, где λ - длина волны света СИДа, Λ - период решетки, nи n - показатели преломления внутри и снаружи световода, θ и θ - угол дифракции внутри световода и угол падения снаружи световода, соответственно. Если принять один и тот же показатель преломления n=1 для слоя с низким показателем преломления и связующей среды, мы получим, при условии, что полное внутреннее преломление n sinθ=n, следующее уравнение: λ/Λ=1-sinθ, т.е. Λ=λ для нормального падения θ=0. Как правило, не все другие углы θ отклоняются (дифрагируются) в световод. Это будет происходить только, если его показатель преломления n является достаточно высоким. Из уравнения решетки следует, что для условия n≥2 все углы отклоняются, если Λ=λ. Кроме того, можно использовать другие периоды и показатели преломления, что ведет к меньшему количеству света, которое отклоняется в световод. Кроме того, как правило, много света пропускается (нулевой порядок). Количество дифрагированного света зависит от формы и высоты структур решетки. За счет выбора подходящих параметров можно регулировать количество света, вводимого в световод. Такие дифракционные структуры наиболее легко выполняют путем мультиплицирования из структур, которые выполнены, например, электронно-лучевой литографией или голографией. Мультиплицирование может быть осуществлено при помощи такого способа, как мягкая наноимпринтная литография. Связующая среда может представлять собой, например, воздух или другой подходящий материал.
3
5
12
3
5
12
3
5
12
Фиг.1 показывает вид сбоку осветительной системы, например, цифрового проектора, со световодом 4070, который выполнен с возможностью преобразования падающего света 1300 таким образом, что излучаемый свет 1700 находится в желтом и/или оранжевом диапазоне длин волн, т.е. грубо в диапазоне длин волн от 560 нм до 600 нм. Для этой цели световод 4070 может, например, представлять собой прозрачный гранат, выполненный из керамических материалов, таких как (Lu,Gd)AlO, (Y,Gd)AlO или (Y,Tb)AlO, легированных Ce. При более высоком содержании Ce и/или более высоких уровнях замещения, например, Gd и/или Tb в пользу Ce, спектральное распределение света, излучаемого световодом, может смещаться в сторону больших длин волн. Предпочтительно, световод 4070 является полностью прозрачным.
У поверхности 4200 выхода света обеспечен оптический элемент 9090. Оптический элемент 9090 содержит фильтр 9091 для фильтрации света 1700, испускаемого из световода 4070, таким образом, чтобы получить фильтрованный свет 1701, по меньшей мере один дополнительный источник 9093, 9094 света и оптический компонент 9092, выполненный с возможностью объединения фильтрованного света 1701 и света от упомянутого по меньшей мере одного дополнительного источника 9093, 9094 света с целью получения общего светового выхода 1400.
Фильтр 9091 может быть поглощающим фильтром или отражающим фильтром, которые могут быть фиксированными или переключаемыми. Переключаемый фильтр может, например, быть получен за счет обеспечения отражающего дихроичного зеркала, которое может быть с пропусканием низких частот, полосовым пропусканием или пропусканием высоких частот, в соответствии с требуемым световым выходом, и переключаемого зеркала, и помещения переключаемого зеркала выше дихроичного зеркала, если смотреть в направлении распространения света. Кроме того, также допустимо объединить два или более фильтров и/или зеркал для выбора требуемого светового выхода. Фильтр 9091, показанный на Фиг.1, представляет собой переключаемый фильтр, позволяющий прохождение нефильтрованного желтого и/или оранжевого света или фильтрованного света, в частности, и в показанном варианте осуществления, фильтрованного красного света, в соответствии с состоянием переключения этого фильтра 9091. Спектральное распределение фильтрованного света зависит от характеристик примененного фильтра 9091. Оптический компонент 9092, который показан, может представлять собой поперечную дихроичную призму, также известную как Х-cube, либо в качестве альтернативы может представлять собой подходящий набор отдельных дихроичных фильтров.
В показанном варианте осуществления обеспечены два дополнительных источника 9093, 9094 света, причем дополнительный источник 9093 света представляет собой источник синего света, а дополнительный источник 9094 света представляет собой источник зеленого света. Также допустимы другие цвета и/или большее число дополнительных источников света. Дополнительной возможностью является использование света, фильтрованного при помощи фильтра 9091, в качестве дополнительного источника света.
Таким образом, общий световой выход 1400 является комбинацией света 1701, излученного световодом 4070 и фильтрованного фильтром 9091, и света, излученного соответствующими двумя дополнительными источниками 9093, 9094 света. Общий световой выход 1400 преимущественно может быть белым светом.
Решение, показанное на Фиг.1, является выгодным в связи с тем, что оно является масштабируемым, экономически эффективным и легко адаптируемым согласно требованиям заданной области применения светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением.
Фиг.2А и 2В показывают виды сбоку световода 4090А и световода 4090В, соответственно, каждый из которых содержит теплоотводящий элемент 7000А, 7000В, соответственно, расположенный на одной из поверхностей этого световода 4090А, 4090В, соответственно, отличающейся от поверхности ввода света, предпочтительно на расстоянии приблизительно 30 мкм или менее от нее. Вне зависимости от варианта осуществления, соответствующий теплоотводящий элемент 7000А, 7000В содержит ребра 7100, 7200, 7300 для улучшения рассеивания тепла, однако ребра являются необязательными элементами. Вне зависимости от варианта осуществления, соответствующий теплоотводящий элемент 7000А, 7000В представляет собой теплоотводящий элемент, выполненный с возможностью совмещения с формой поверхности световода, и, следовательно, выполнен с возможностью обеспечения согласованного теплового контакта на всей площади контакта со световодом. За счет этого достигается улучшенное охлаждение световода, а существующие границы допуска по позиционированию теплоотводящего элемента становятся менее критическими.
Фиг.2А показывает, что теплоотводящий элемент 7000А содержит множество теплоотводящих частей, здесь - четыре теплоотводящие части 7001, 7002, 7003 и 7004, одна или более из которых, здесь все четыре, могут быть снабжены ребрами. Очевидно, что, чем больше теплоотводящих частей содержит теплоотводящий элемент 7000А, тем более точно теплоотводящий элемент 7000 может совмещаться с поверхностью световода. Каждая теплоотводящая часть 7001, 7002, 7003, 7004 выполнена с возможностью обеспечения соответствующего теплового контакта на всей площади контакта со световодом. Теплоотводящие части могут быть расположены совместно на разных расстояниях от поверхности световода. Кроме того, теплоотводящий элемент 7000А содержит общий носитель 7050, к которому по отдельности прикреплены теплоотводящие части 7001, 7002, 7003, 7004 посредством прикрепляющих элементов 7010, 7020, 7030, 7040, соответственно. В качестве альтернативы, каждой теплоотводящей части может быть выделен свой собственный носитель. Отметим, что эти элементы являются необязательными.
Фиг.2В показывает, что теплоотводящий элемент 7000В содержит нижнюю часть 7060, выполненную с возможностью совмещения с поверхностью световода 4090В, у которой она должна быть расположена. Нижняя часть 7060 является гибкой и, например, может представлять собой теплопроводный металлический слой, такой как слой меди. Теплоотводящий элемент 7000В дополнительно содержит теплопроводный слой 7070, предусмотренный между нижней частью 7060 и оставшейся частью теплоотводящего элемента 7000В для улучшенных гибкости и совмещаемости теплоотводящего элемента 7000В. Теплопроводный слой 7070 может, например, представлять собой теплопроводную текучую среду или пасту. Предпочтительно, теплопроводный слой 7070 имеет высокую отражательную способность и/или содержит покрытие с высокой отражательной способностью. Теплоотводящий элемент 7000В дополнительно содержит резервуар 7080 для текучей среды, предусмотренный внутри теплоотводящего элемента 7000В для образования потока текучей среды с целью улучшения рассеивания тепла. В качестве альтернативы, резервуар 7080 для текучей среды может также быть расположен снаружи на теплоотводящем элементе 7000В, например, простираясь по части или по всему периметру теплоотводящего элемента 7000В. Поток текучей среды может быть усилен посредством насоса. Отметим, что проводящий слой 7070 и резервуар 7080 для текучей среды являются необязательными элементами.
Вне зависимости от варианта осуществления, теплоотводящий элемент 7000А, 7000В может быть выполнен из материала, выбранного из меди, алюминия, серебра, золота, карбида кремния, нитрида алюминия, нитрида бора, карбида кремния-алюминия, оксида бериллия, кремния - карбида кремния, сплавов вольфрама и меди, карбидов молибдена-меди, углерода, алмаза, графита и комбинаций из двух или более этих материалов. Кроме того, возможен теплоотводящий элемент, объединяющий признаки вышеописанных вариантов осуществления. Также возможно расположение теплоотводящего элемента в соответствие с любым из рассмотренных выше вариантов осуществления более, чем у одной поверхности световода 4090А или 4090В.
Наконец, отметим, что обеспечение теплоотводящего элемента, как описано выше, является особенно выгодным в вариантах осуществления светоизлучающего устройства, в которых применяется источник света, излучающий в диапазоне длин волн красного света и/или выполненный с возможностью излучения света в диапазоне длин волн инфракрасного света, например, за счет включения в его состав излучающего ИК-свет люминофора.
Фиг.3 показывает общий вид светоизлучающего устройства 1 в соответствие с первым и общим вариантом осуществления изобретения, а Фиг.4 показывает вид в разрезе светоизлучающего устройства 1 вдоль линии Х-Х светоизлучающего устройства по Фиг.3. Светоизлучающее устройство 1 в общем содержит множество первых источников 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 света, из которых на Фиг.3 видны только некоторые, первый световод 3 и один световыводящий элемент 9 для вывода света из световода, который на Фиг.3 не виден.
Описанные здесь источники света предпочтительно представляют собой твердотельные источники света, такие как СИДы, подходящие типы которых рассмотрены выше. Предпочтительно, все из множества первых источников 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 света излучают свет, имеющий одно спектральное распределение, но в альтернативных вариантах осуществления могут излучать свет, имеющий два или более разных спектральных распределений.
Первые источники 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 света расположены на основании или подложке 15 в форме теплоотвода, предпочтительно, выполненной из такого металла, как медь, железо или алюминий. Теплоотвод может содержать ребра (не показаны) для улучшения рассеивания тепла. Отметим, что в других вариантах осуществления нет необходимости в том, чтобы основание или подложка представляли собой теплоотвод. При обеспечении теплоотвода тепло, вырабатываемое источником света, может рассеиваться в направлении от световода эффективным образом. Это, в свою очередь, обеспечивает повышение максимально достижимой интенсивности выходного света светоизлучающего устройства, а также снижение или даже устранение неблагоприятных влияний на оптические характеристики светоизлучающего устройства, вызываемых избытком тепла в световоде. Однако теплоотвод не является неотъемлемым элементом, и поэтому может быть исключен в других вариантах осуществления.
Как можно видеть, первые источники света в представленном варианте осуществления расположены в двух матрицах 3х3, каждая из которых имеет в сумме девять первых источников света. Первые источники 21-28 света, показанные на Фиг.3, являются прямоугольными. Однако первые источники света могут также быть квадратными. Отметим, что, в принципе, может быть представлено любое другое число первых источников света, например, десять, двадцать или тридцать первых источников света.
Первый световод 3 показан выполненным в общем в форме квадратной пластины, имеющей первую поверхность 31 ввода света и вторую поверхность 32, простирающиеся параллельно друг другу таким образом, что первая поверхность 31 ввода света и вторая поверхность 32 представляют собой нижнюю и верхнюю поверхности первого световода 3, соответственно. Первый световод 3 дополнительно содержит боковые поверхности 33, 34, 35, 36. Первый световод 3 также может быть выполнен в форме бруска или стержня, в форме креста, многоконечного креста, диска или шестиугольника, либо, например, в форме прямоугольной, круглой или шестиугольной пластины. Первые источники 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 света расположены рядом и в оптическом контакте с первой поверхностью 31 ввода света первого световода 3.
Кроме того, первый световод 3 может содержать прозрачный материал, люминесцентный материал, гранат, светоконцентрирующий материал или их сочетания, причем подходящие материалы и гранаты описаны выше. В любом случае, первый световод 3 представляет собой световод, выполненный с возможностью или способный преобразовывать свет с одним спектральным распределением в свет с отличающимся или частично перекрывающимся спектральным распределением. Следовательно, также допустимо, что первый световод может содержать две части во взаимном оптическом контакте, причем одна часть является прозрачной, а другая часть выполнена с возможностью или способна преобразовывать свет с одним спектральным распределением в свет с отличающимся или частично перекрывающимся спектральным распределением.
Таким образом, в вариантах осуществления изобретения первый световод 3 представляет собой прозрачный световод, содержащий материал, предназначенный для преобразования света с одним спектральным распределением в свет со вторым спектральным распределением. Материал, предназначенный для преобразования света с одним спектральным распределением в свет со вторым спектральным распределением, может быть расположен у поверхности первого световода 3, а в вариантах осуществления внедрен в первый световод 3.
Светоизлучающее устройство 1 дополнительно содержит один первый световыводящий элемент 9 для вывода света из световода. Как правило, первый световыводящий элемент расположен в поверхности световода или на ней в заранее выбранном месте на плоскости, в которой простирается эта поверхность. Согласно изобретению, первый световыводящий элемент 9 расположен на первой поверхности 31 ввода света. Таким образом, согласно изобретению, первая поверхность 31 ввода света функционирует частично как область поверхности ввода света, принимая свет, который излучается первыми источниками 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 света, и частично как область поверхности выхода света, обеспечивая выход света через первый световыводящий элемент 9. Другими словами, поверхность ввода света и поверхность выхода света являются участками или зонами одной и той же плоскости или поверхности световода.
Первый световыводящий элемент 9, согласно изобретению, расположен в центре плоскости, в которой простирается поверхность, на которой расположен этот первый световыводящий элемент 9. Более конкретно, поверхность, на которой расположен первый световыводящий элемент 9, включает периферическую границу 81, причем первый световыводящий элемент 9 расположен в точке Р на этой поверхности, и точка Р находится в таком месте, где любое расстояние, перпендикулярное периферической границе 81, является максимально возможным, причем всем расстояниям, перпендикулярным периферической границе 81, присвоен одинаковый вес.
Отметим, однако, что положение первого световыводящего элемента 9 не ограничивается положением, показанным на Фиг.4, но может, в принципе, быть любым заранее выбранным положением на поверхности первого световода 3. Кроме того, первый световыводящий элемент 9 может, в принципе, относиться к любому из типов, описанных ниже со ссылкой на Фиг.7А - Фиг.7G.
Если обратиться к Фиг.4, светоизлучающее устройство в соответствие с изобретением в общем работает следующим образом. Первый свет 13, имеющий первое спектральное распределение, излучается каждым источником света из множества первых источников 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 света. Первый свет 13, имеющий первое спектральное распределение, затем вводится в первый световод 3 на части первой поверхности 31 ввода света. По меньшей мере часть первого света 13 с первым спектральным распределением преобразуется световодом 3 во второй свет 14, имеющий второе спектральное распределение. Световод будет выполнен таким образом, что большая часть первого света 13 будет поглощаться, и только небольшое количество первого света 13 будет распространяться в этом световоде как в волноводе. Это может быть достигнуто за счет обеспечения в световоде преобразующего материала, который обладает достаточно высоким коэффициентом поглощения в том направлении, в котором перемещается первый свет 13, причем подходящие примеры таких материалов указаны выше. Наконец, посредством первого световыводящего элемента 9 из первого световода 3 выводится второй свет 14, имеющий второе спектральное распределение, который, таким образом, излучается светоизлучающим устройством 1. Второй свет 14 после преобразования длины волны излучается в световоде изотропно. Показатель преломления материала световода определяет предельный угол выхода света с поверхности световода. Например, в случае, если показатель преломления материала световода имеет значение 1,8, предельный угол будет составлять около 33° (через sin(предельный угол)=1/(показатель преломления)), и примерно 6% второго света покидает или выходит с каждой поверхности световода. Следовательно, за счет выбора оптимального показателя преломления световода, большая часть второго света 14 будет распространяться в этом световоде как в волноводе. Площадь излучения ограничена размером первого световыводящего элемента 9, что позволяет получить эффект концентрации света.
Фиг.5А - Фиг.5G иллюстрируют различные типы возможных первых световыводящих элементов для вывода света из первого световода 3.
Светоизлучающее устройство 102, показанное на Фиг.5А, содержит первый световыводящий элемент 910 в виде шероховатой поверхности, предусмотренной на заранее выбранной части первой поверхности 31 ввода света первого световода 3.
Светоизлучающее устройство 103, показанное на Фиг.5В, содержит первый световыводящий элемент 911 в виде перенаправляющего свет элемента, такого как, предпочтительно, рассеивающего элемента, который является отражающим только для некоторых длин волн света, либо дифракционного элемента или преломляющего элемента или отражающего элемента, внедренных в заранее выбранную часть первой поверхности 31 ввода света первого световода 3.
Светоизлучающее устройство 104, показанное на Фиг.5С, содержит первый световыводящий элемент 912, обеспеченный путем придания определенной формы заранее выбранной части первой поверхности 31 ввода света первого световода 3. Как показано на Фиг.5С, первый световыводящий элемент 912 создан в виде углубления или выемки в первой поверхности 31 ввода света. В альтернативном варианте осуществления придание определенной формы также может представлять собой создание выступа, расположенного на первой поверхности 31 ввода света. Кроме того, независимо от того, углубление ли это или выступ, форма световыводящего элемента 912 не ограничивается треугольной, которая показана на Фиг.5С, но может также быть любой другой допустимой формой, например, квадратной, криволинейной или тому подобной.
Светоизлучающее устройство 105, показанное на Фиг.5D, содержит первый световыводящий элемент 913, обеспеченный на заранее выбранной части первой поверхности 31 ввода света первого световода 3 и содержащий люминофор таким образом, чтобы сделать возможным дальнейшее преобразование длины волны извлеченного света. В альтернативном, но тесно связанном варианте осуществления, световыводящий элемент 913 может быть предусмотрен в виде люминофора для извлечения света путем рассеивания и частичного преобразования длины волны.
Светоизлучающее устройство 106, показанное на Фиг.5Е, содержит один первый световыводящий элемент, содержащий две области 91, 92 с разными оптическими характеристиками в виде двух разных люминесцентных элементов, предпочтительно люминофоров, расположенных рядом друг с другом в направлении, параллельном первой поверхности 31 ввода света, и предусмотренных на заранее выбранной части первой поверхности 31 ввода света первого световода 3. В качестве альтернативы, каждая из двух областей 91, 92, в принципе, может представлять собой область со свойствами и конфигурацией, аналогичными свойствам и конфигурации любого из типов описанных здесь световыводящих элементов.
Светоизлучающее устройство 107, показанное на Фиг.5F, содержит один первый световыводящий элемент, содержащий две области 91, 92 с разными оптическими характеристиками в виде двух разных люминесцентных элементов, предпочтительно люминофоров, расположенных рядом друг с другом в направлении, по существу перпендикулярном первой поверхности 31 ввода света, и предусмотренных на заранее выбранной части первой поверхности 31 ввода света первого световода 3. Две области 91, 92 в этом случае представляют собой области, уложенные пакетом. В качестве альтернативы, каждая из двух областей 91, 92, в принципе, может представлять собой область со свойствами и конфигурацией, аналогичными свойствам и конфигурации любого из типов описанных здесь световыводящих элементов.
Кроме того, допустимо снабдить первый световыводящий элемент тремя или более областями.
Светоизлучающее устройство 108, показанное на Фиг.5G, содержит первый световыводящий элемент 914 в виде пикселированного люминесцентного элемента, предпочтительно пикселированного люминофора, предусмотренного на заранее выбранной части первой поверхности 31 ввода света первого световода 3. Этот вариант осуществления особенно подходит для светоизлучающих устройств, от которых требуется излучение белого света.
Вне зависимости от конкретного варианта осуществления, первый световыводящий элемент 9 или каждая из упомянутых по меньшей мере двух его областей могут быть предусмотрены с размерами и/или формой, позволяющими обеспечить требуемый размер и/или форму точки света, излучаемого светоизлучающим устройством.
Фиг.6 показывает вид с торца варианта осуществления светоизлучающего устройства 109 в соответствие с изобретением, которое отличается от показанного на Фиг.3 и 4 и описанного выше тем, что оно содержит первый, второй и третий отражающие элементы 76, 781, 782, 79, 73, предусмотренные для уменьшения или даже устранения того количества света, которое в ином случае теряется через поверхности или части поверхности, отличающиеся от части, на которой или в которой расположен световыводящий элемент 9.
Более конкретно, светоизлучающее устройство 109 содержит первый отражающий элемент 781, 782, 76, расположенный у или на по меньшей мере одной из одной или более других поверхностей 33, 34, 35, 36 первого световода, второй отражающий элемент 73, расположенный у второй поверхности 32 и по меньшей мере один третий отражающий элемент 79, расположенный у части первой поверхности 31 ввода света. Дополнительная поверхность 35, которая не видна на Фиг.6, также может быть снабжена отражающим элементом.
Как показано, третий отражающий элемент 79 находится в оптическом контакте с первой поверхностью 31 ввода света, в то время как в этом примере между первым и вторым отражающими элементами 73, 76, 781, 782 и поверхностью 32 выхода света и другими поверхностями 33, 34, 36, соответственно, обеспечен зазор. Такой зазор может быть заполнен, например, воздухом или оптическим адгезивом, таким как кремнийорганический или стеклянный материал.
Первый, второй и третий отражающие элементы могут, например, представлять собой зеркальную пластину, зеркальную фольгу или зеркальное покрытие, которые могут быть приклеены, например, при помощи оптического адгезива, нанесены в виде покрытия или осаждены на соответствующую поверхность световода 3. Подходящие способы осаждения включают, не ограничиваясь этим, методы осаждения тонких пленок, методы химического осаждения и методы физического осаждения.
Соответствующие первые отражающие элементы 76, 781, 782 покрывают по существу всю площадь соответствующих поверхностей 33, 34, 36, на которых они предусмотрены. Второй отражающий элемент 73 покрывает по существу всю площадь второй поверхности 32. Третий отражающий элемент 79 покрывает по существу всю площадь поверхности 31 ввода света, не снабженную источниками 21-26 света и не снабженную световыводящим элементом 9.
Третий отражающий элемент 79, например, может быть обеспечен в виде двух или более отражающих элементов, расположенных на поверхности 31 ввода света с разных сторон световыводящего элемента 9. В качестве альтернативы, третий отражающий элемент 79 может содержать один отражающий элемент с прозрачной частью, который ограничивает часть поверхности 31 ввода света, через которую свет может выходить для его излучения из светоизлучающего устройства 109, причем сквозное отверстие выполнено в форме, соответствующей форме световыводящего элемента 9.
Отметим, что нет необходимости в том, чтобы имелись все упомянутые отражающие элементы, и что в других вариантах осуществления изобретения могут быть предусмотрены только один или некоторые из этих отражающих элементов. Кроме того, одним или более отражающими элементами, которые описаны выше, может быть снабжено светоизлучающее устройство в соответствие с любым описанным здесь вариантом осуществления.
Обратимся теперь к Фиг.7, на которой показан вид с торца варианта светоизлучающего устройства 110 в соответствие с изобретением. Светоизлучающее устройство 110 отличается от показанного на рассмотренных выше Фиг.3 и 4 двумя моментами.
Во-первых, в дополнение к первым источникам 21, 22 света, обеспеченным у первой поверхности 31 ввода света, у другой поверхности первого световода 3, противоположной первой поверхности 31 ввода света, здесь - второй поверхности 32, обеспечены дополнительные первые источники 23, 24 света. Как следствие, в варианте осуществления, показанном на Фиг.7, первые источники 21, 22 света и дополнительные первые источники 23, 24 света расположены на взаимно противоположных и параллельных поверхностях, так что для дополнительных первых источников 23, 24 света часть второй поверхности 32 функционирует как область поверхности ввода света. Другими словами, первая поверхность 31 ввода света функционирует отчасти как область поверхности ввода света за счет приема света, который излучается первыми источниками 21, 22 света, и отчасти как область поверхности выхода света за счет выхода света через первую световыводящую структуру 9, и при этом вторая поверхность 32 функционирует отчасти как область поверхности ввода света за счет приема света, который излучается (дополнительными) первыми источниками 23, 24 света, и отчасти как область поверхности выхода света за счет выхода света через вторую световыводящую структуру 93.
Первые источники 21, 22, 23, 24 света расположены на соответствующих основаниях 151, 152, 153, 154. За счет этого в первый световод 3 может быть введено больше света, что позволяет обеспечить более высокие интенсивность и яркость света, выводимого из первого световода 3.
Во-вторых, для выведения света из части второй поверхности 32 обеспечен второй световыводящий элемент 93. Второй световыводящий элемент 93 расположен на плоскости первого световода 3, простирающейся параллельно первой поверхности 31 ввода света и расположенной напротив нее, т.е. в показанном варианте осуществления на второй поверхности 32, и напротив первого световыводящего элемента 9. За счет этого из первого световода 3 можно вывести больше света посредством теперь уже двух световыводящих элементов 9, 93, расположенных на разных и противоположных плоскостях, подобным образом также обеспечивая большие интенсивность и яркость света, выводимого из первого световода 3, а также вывод света в двух разных направлениях одновременно.
Отметим, что дополнительные первые источники 23, 24 света, в принципе, могут быть обеспечены у любой поверхности первого световода 3, и/или что дополнительные первые источники света могут также быть обеспечены у более чем одной поверхности первого световода 3, отличающейся от первой поверхности 31 ввода света. Кроме того, в принципе, может быть обеспечено любое число дополнительных первых источников света.
Также отметим, что второй световыводящий элемент 93, в принципе, может быть обеспечен у любой поверхности первого световода 3. Кроме того, второй световыводящий элемент 93 может быть обеспечен у более чем одной поверхности первого световода 3, отличающейся от второй поверхности 32. Второй световыводящий элемент 93, помимо этого, может относиться к любому из типов, описанных со ссылкой на Фиг.5А-5G для первого световыводящего элемента 9.
Обратимся теперь к Фиг.8, на которой показан вид с торца варианта осуществления светоизлучающего устройства 111 в соответствие с изобретением.
Светоизлучающее устройство 111 отличается от показанного на Фиг.7 и описанного выше только одним моментом, а именно, тем, что в качестве альтернативы или в дополнение к обеспечению второго световыводящего элемента 93, первый световыводящий элемент 9 предусмотрен таким образом, чтобы он простирался частично или, как показано, полностью вокруг первого световода 3.
В вариантах осуществления в соответствие с Фиг.7 и 8 свет может выводиться из первого световода 3 одновременно с более чем одной поверхности или плоскости и, таким образом, более чем в одном направлении.
Кроме того, в вариантах осуществления в соответствие с Фиг.7 и 8 концевые секции первого световода 3, простирающиеся на каждой стороне световыводящего элемента(ов) 9, 93, также могут быть выполнены такой формы, чтобы, например, они имели вид трапецоида в поперечном сечении, как видно на виде сбоку, соответствующему виду по Фиг.7 и 8.
Для всех вариантов осуществления светоизлучающего устройства в соответствие с изобретением и описанные выше, кроме того, можно обеспечить более одного световода, например, два или три световода. Эти, таким образом, два и более световодов могут быть расположены в любой требуемой конфигурации, не ограничиваясь представленными примерами, если смотреть на полученное в результате светоизлучающее устройство сверху: параллельно друг другу, в форме креста, плюса, дуги, букв Т или L.
Фиг.9 показывает общий вид светоизлучающего устройства 112 в соответствие с вариантом осуществления изобретения. Фиг.10 показывает вид в разрезе светоизлучающего устройства 112 вдоль линии XVIII-XVIII светоизлучающего устройства по Фиг.9.
Светоизлучающее устройство 112 содержит первые источники 211, 221 света, расположенные на первых основаниях 151, 152, первый световод 3 и первый световыводящий элемент 9 в соответствие с любым из описанных выше вариантов осуществления.
Светоизлучающее устройство 112 дополнительно содержит множество вторых источников 212, 222 света, расположенных на вторых основаниях 153, 154, второй световод 4 и один третий световыводящий элемент 94. Вторые источники света, вторые основания, второй световод и третий световыводящий элемент каждый относятся к типу, соответствующему первым источникам света, первым основаниям, первому световоду и первому световыводящему элементу в соответствие с любым из описанных выше вариантов.
Таким образом, светоизлучающее устройство 112 по существу содержит два идентичных светоизлучающих устройства 1, 101-111 в соответствие с любым из вариантов осуществления, описанных выше в связи с Фиг.3-8. В качестве альтернативы, светоизлучающее устройство показанного на Фиг.9 типа может содержать два разных светоизлучающих устройства 1, 101-111 в соответствие с любым из вариантов осуществления, описанных выше в связи с Фиг.3-8. Аналогичным образом, также допустимы светоизлучающие устройства, содержащие три или более светоизлучающих устройств 1, 101-111 в соответствие с любым из вариантов осуществления, описанных выше в связи с Фиг.3-8.
Второй световод 4 показан выполненным в форме в общем квадратной пластины, имеющей вторую поверхность 41 ввода света. Второй световод 4 дополнительно содержит боковые поверхности 42, 43, 44, 45, 48. Второй световод 4 также может быть выполнен в форме бруска или стержня, либо, например, в форме прямоугольной пластины. Вторые источники 212, 222 света расположены рядом и в оптическом контакте со второй поверхностью 41 ввода света второго световода 4.
Первый световод 3 и второй световод 4 расположены друг относительно друга таким образом, что плоскость первой поверхности 31 ввода света и плоскость второй поверхности 41 ввода света обращены друг от друга.
Кроме того, второй световод 4 может содержать прозрачный материал, люминесцентный материал, гранат, светоконцентрирующий материал или их сочетания, отличающиеся от материала первого световода 3 или идентичные ему. Подходящие материалы и гранаты описаны выше.
Предпочтительно, однако, второй световод 4 представляет собой прозрачный световод, содержащий материал, предназначенный для преобразования света с одним спектральным распределением в свет с другим спектральным распределением. Материал, предназначенный для преобразования света с одним спектральным распределением в свет другим спектральным распределением, может быть расположен у поверхности второго световода 4, а в вариантах осуществления внедрен во второй световод 4, и этот материал может отличаться от материала первого световода 3 или может быть идентичным ему.
Таким образом, первое и третье спектральные распределения и второе и четвертое спектральные распределения, соответственно, могут быть идентичными или разными спектральными распределениями.
Как показано на Фиг.9, третий световыводящий элемент 94 расположен на второй поверхности 41 ввода света в центре плоскости, в которой простирается эта вторая поверхность 41 ввода света. Более конкретно, вторая поверхность 41 ввода света включает периферическую границу 82, при этом третий световыводящий элемент 94 расположен в точке Р на второй поверхности 41 ввода света, и точка Р находится в таком месте, где любое расстояние, перпендикулярное периферической границе 82 является максимально возможным, причем всем расстояниям, перпендикулярным периферической границе 82, присвоен одинаковый вес.
При этом отметим, что положение третьего световыводящего элемента 94 не ограничивается положением, показанным на Фиг.9, но может, в принципе, быть любым заранее выбранным положением на плоскости, в которой простирается вторая поверхность 41 ввода света второго световода 4. Кроме того, третий световыводящий элемент 94, в принципе, может относиться к любому из типов, описанных выше в связи с первым световыводящим элементом 94 со ссылкой на Фиг.5А-5G, и третий световыводящий элемент 94 может быть того же типа, что и первый световыводящий элемент 9, либо другого типа.
В качестве альтернативы, допустимо также, что третий световыводящий элемент может содержать две или более области с разными оптическими характеристиками.
В качестве дополнительной альтернативы, первый и/или третий световыводящие элементы 9, 94 могут простираться частично или полностью вокруг одного или более из первого световода 3 и второго световода 4, и/или первый и третий световыводящие элементы 9, 94 могут представлять собой один непрерывный световыводящий элемент.
Светоизлучающее устройство 112 в соответствие с Фиг.9 и 10 в общем работает следующим образом. Каждым источником света из множества первых источников 211, 221 света излучается первый свет 13, имеющий первое спектральное распределение. Затем первый свет 13, имеющий первое спектральное распределение, вводится в первый световод 3 на части первой поверхности 31 ввода света. По меньшей мере часть первого света 13 с первым спектральным распределением преобразуется первым световодом 3 во второй свет 14, имеющий второе спектральное распределение. Наконец, второй свет 14, имеющий второе спектральное распределение, выводится из первого световода 3 в месте первого световыводящего элемента 9 и, таким образом, излучается светоизлучающим устройством 112. Площадь излучения ограничена размером первого световыводящего элемента 9, что позволяет получить эффект концентрации света. Одновременно с этим каждым источником света из множества вторых источников 212, 222 света излучается третий свет 17, имеющий третье спектральное распределение. Затем третий свет 17, имеющий третье спектральное распределение, вводится во второй световод 4 на части второй поверхности 41 ввода света. По меньшей мере часть третьего света 17 с третьим спектральным распределением преобразуется вторым световодом 4 в четвертый свет 18, имеющий четвертое спектральное распределение. Наконец, четвертый свет 18, имеющий четвертое спектральное распределение, выводится из второго световода 4 в месте третьего световыводящего элемента 94 и, таким образом, излучается светоизлучающим устройством 112. Площадь излучения ограничена размером третьего световыводящего элемента 94, что позволяет получить эффект концентрации света.
Специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничивается описанными выше предпочтительными вариантами осуществления. Наоборот, в пределах объема приложенной формулы изобретения возможно множество модификаций и изменений.
В дополнение к этому, при практической реализации заявленного изобретения специалистом в данной области техники могут быть поняты и выполнены изменения к раскрытым вариантам осуществления, из изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает наличие других элементов или этапов, а форма единственного числа не исключает множества. Простой факт того, что некоторые меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что не может быть использована с получением преимущества комбинация этих мер.