СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
LIGHT-EMITTING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к светоизлучающему устройству, имеющему множество источников света и световод. Изобретение дополнительно относится к лампе, осветительному устройству или системе освещения, содержащим такое светоизлучающее устройство.
Уровень техники изобретения
Источники света высокой интенсивности и, конкретно, источники белого света высокой интенсивности вызывают интерес для различных областей применения, включая точечные источники света, сценическое освещение, автомобильное освещение и цифровую проекцию изображений. Для таких целей, а также для получения желаемой формы света, распределения света и распределение цвета с точки зрения высокой интенсивности, возможно использование так называемых концентраторов света, в которых свет с короткой длиной волны преобразуется в более длинные длины волн в высокопрозрачном люминесцентном материале. Такой прозрачный люминесцентный материал подсвечивается светодиодами для получения более длинных длин волн в люминесцентном материале. Преобразованный свет, который будет направляться волноводом в люминесцентном материале, выводится из поверхности, приводя к точке высокой яркости.
Документ WO 2012/056382 A1 описывает в одном варианте светоизлучающее устройство, содержащее волновод, источник света и множество структур вывода света. Волновод может быть обеспечен люминесцентным материалом, размещенным на или в волноводе, и может, таким образом, быть выполнен с возможностью преобразования света от источника света в излучение люминесцентного материала.
Однако в различных областях применения света, таких как автомобильное освещение сложной формы света, необходимо распределение света и распределение цвета. Например, при освещении дороги необходимо иметь световой пучок, который должен иметь особую форму, а также иметь особое распределение интенсивности. Более того, имеются области применения, такие как фары, в которых для комфорта и безопасности необходимо более сложное угловое распределение цвета света. Например, для автомобильных ламп может быть желательно, что в прямом направлении вперед свет является белым для хорошей видимости, в направлении влево (или вправо) может быть предпочтительным более желтоватый свет, чтобы избежать ослепления водителей встречных транспортных средств, и в направлении вправо (или влево) может быть предпочтительным более синеватый свет для того, чтобы улучшать видимость дорожных знаков. Этого очень сложно достичь простым путем с использованием известных светоизлучающих устройств, в частности, при использовании светодиодов.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является преодоление этой проблемы и обеспечение светоизлучающего устройства, с помощью которого световые пучки с желаемой формой света, распределением света и распределением цвета могут быть получены простым и экономичным образом даже для светоизлучающих устройств, используемых в областях применения, требующих относительно сложных распределений света.
Согласно первому аспекту изобретения эта и другие задачи решаются посредством светоизлучающего устройства, содержащего множество первых твердотельных источников света, выполненных с возможностью при функционировании излучения первого света с первым спектральным распределением, и первый световод, содержащий первую поверхность входа света, первую концевую поверхность, продолжающиеся под углом, отличным от нуля, относительно друг друга, и по меньшей мере одну первую дополнительную поверхность, продолжающуюся параллельно первой поверхности входа света, причем множество первых твердотельных источников света размещены на первой поверхности входа света, первый световод выполнен с возможностью приема первого света с первым спектральным распределением на первой поверхности входа света и направления, по меньшей мере, части первого света с первым спектральным распределением к первой концевой поверхности, причем светоизлучающее устройство дополнительно содержит по меньшей мере один первый оптический элемент, который выполнен с возможностью формирования света, который выводится из первого световода через, по меньшей мере, часть по меньшей мере одной первой дополнительной поверхности, чтобы обеспечивать первый сформированный свет, и по меньшей мере один второй оптический элемент, размещенный в или на первой концевой поверхности.
Путем обеспечения световода, выполненного с возможностью приема света, излучаемого множеством твердотельных источников света, обеспечивается световод, с помощью которого особенно большое количество света будет оставаться в световоде, и который может быть выведен из одной из поверхностей, что, в свою очередь, приводит к особенно высокому усилению интенсивности.
Путем обеспечения светоизлучающего устройства световодом, имеющим поверхность входа света и концевую поверхность, продолжающиеся под углом, отличным от нуля, относительно друг друга, и в вариантах осуществления продолжающиеся перпендикулярно друг другу, площадь поверхности входа света и площадь поверхности выхода света могут быть выбраны для получения светоизлучающего устройства, с помощью которого больше света вводится в световод, и с помощью которого оптимально большое количество света направляется к соответственной концевой поверхности посредством полного внутреннего отражения (TIR).
Путем обеспечения по меньшей мере одного первого оптического элемента, выполненного с возможностью формирования света, выводимого из первого световода через по меньшей мере часть по меньшей мере одной первой дополнительной поверхности, чтобы обеспечивать первый сформированный свет, становится возможным сбор и использование света, выводимого из первой дополнительной поверхности для того, чтобы получать световой пучок с желаемой формой света, распределением света и распределением цвета.
Путем обеспечения по меньшей мере одного второго оптического элемента, размещенного в или на первой концевой поверхности, обеспечивается светоизлучающее устройство, с помощью которого свет, направляемый и поступающий на первую концевую поверхность, может быть оптически обработан вторым оптическим элементом отдельно от света, который выводится из первого световода через по меньшей мере часть по меньшей мере одной первой дополнительной поверхности.
В одном варианте множество твердотельных источников расположены и на первой поверхности входа света, и на первой дополнительной поверхности, противоположной первой поверхности входа света, и первый световод выполнен с возможностью приема первого света с первым спектральным распределением на первой поверхности входа света и на первой дополнительной поверхности, противоположной первой поверхности входа света.
В одном варианте первый световод выполнен с возможностью вывода по меньшей мере части первого света с первым спектральным распределением из первой концевой поверхности, а по меньшей мере один второй оптический элемент выполнен с возможностью формирования первого света с первым спектральным распределением, выводимого из первого световода через первую концевую поверхность, чтобы обеспечивать второй сформированный свет. Таким образом, обеспечено светоизлучающее устройство, в котором свет, выводимый из поверхности выхода света, также формируется отдельно от и в дополнение к формированию света, который выводится из, по меньшей мере, части по меньшей мере одной первой дополнительной поверхности. Два световых пучка, т.е. первый сформированный свет и второй сформированный свет, в сочетании образуют общий выходящий световой пучок светоизлучающего устройства. Таким образом, светоизлучающее устройство может быть получено простым и экономичным образом, с помощью которого может быть обеспечен выход света с желаемой формой света, распределением света и распределением цвета даже относительно сложного характера.
В одном варианте по меньшей мере один второй оптический элемент, кроме того, выполнен с возможностью формирования, по меньшей мере, части первого сформированного света, сформированного первым оптическим элементом. Таким образом, обеспечено светоизлучающее устройство, с помощью которого первый сформированный свет может быть дополнительно сформирован. Таким образом, еще один параметр, используемый для получения выхода света с желаемой формой и распределением света, получен простым и экономичным образом, при этом добавляя получаемую сложность выхода света.
В одном варианте осуществления по меньшей мере один первый оптический элемент выполнен с возможностью преобразования, по меньшей мере, части первого сформированного света в свет с третьим спектральным распределением, а второй оптический элемент выполнен с возможностью преобразования по меньшей мере части второго сформированного света в свет с четвертым спектральным распределением, отличным от третьего спектрального распределения. Таким образом, обеспечено светоизлучающее устройство, с помощью которого свет, выводимый из первого световода, может быть обеспечен еще более сложными распределениями цвета.
В одном варианте осуществления светоизлучающее устройство дополнительно содержит по меньшей мере один третий оптический элемент, размещенный и выполненный с возможностью формирования одной или более из по меньшей мере части первого сформированного света, сформированного первым оптическим элементом, и по меньшей мере части второго сформированного света, сформированного вторым оптическим элементом. Таким образом, обеспечено светоизлучающее устройство, с помощью которого часть или весь первый сформированный свет и/или второй сформированный свет, дополнительно формируются. Таким образом, еще один параметр, используемый для получения светового пучка с желаемой формой и распределением света, получен очень простым образом, при этом добавляя получаемую сложность выхода света.
По меньшей мере один первый оптический элемент может быть выбран из группы, содержащей отражатель, параболический отражатель, оптический элемент с полным внутренним отражением, составной концентратор, составной параболический концентратор, линзу, массив линз, дифракционный элемент и преломляющий элемент. Подобным образом по меньшей мере один второй и третий оптический элемент может быть выбран из той же группы оптических элементов.
В одном варианте осуществления по меньшей мере один второй оптический элемент представляет собой отражатель, и первый световод выполнен с возможностью вывода по меньшей мере части первого света с первым спектральным распределением из по меньшей мере части по меньшей мере одной первой дополнительной поверхности. Таким образом, отражатель приводит к тому, что свет не выводится из первой концевой поверхности первого световода, а свет в первом световоде, направляемый и поступающий на первую концевую поверхность, отражается обратно в первый световод, и по меньшей мере часть света в первом световоде выводится на части по меньшей мере одной дополнительной поверхности. Этот выводимый и излучаемый свет далее формируется первым оптическим средством для обеспечения первого сформированного света. Путем вывода света только на части по меньшей мере одной дополнительной поверхности получается высокая яркость первого сформированного света с помощью использования первого и второго оптических элементов.
В одном варианте осуществления средство вывода света обеспечено на, по меньшей мере, части по меньшей мере одной первой дополнительной поверхности первого световода. В другом варианте осуществления средство вывода света обеспечено в части или области первого световода. Таким образом, вывод света из, по меньшей мере, части по меньшей мере одной первой дополнительной поверхности достигается в заданном положение на или в первом световоде эффективным образом. Например, шероховатая поверхность, рассеивающий слой, преломляющий слой или люминофорный слой могут быть обеспечены на по меньшей мере части по меньшей мере одной первой дополнительной поверхности, или рассеивающие частицы или поры, или люминофорный материал могут быть обеспечены в части первого световода, которая является смежной по меньшей мере части или области по меньшей мере первой дополнительной поверхности, на которой выводится свет.
В одном варианте осуществления первая поверхность входа света и первая поверхность выхода света продолжаются перпендикулярно друг другу. В варианте осуществления первый световод является прозрачным. В дополнительном варианте осуществления прозрачные световоды могут содержать прозрачную подложку, на которой эпитаксиально выращено множество твердотельных источников света, например, светоизлучающих диодов. Подложка в вариантах осуществления представляет собой монокристаллическую подложку, такую как, например, сапфировая подложка. Прозрачная подложка для выращивания источников света в этих вариантах осуществления представляет собой концентрирующий свет световод.
В одном варианте осуществления светоизлучающее устройство дополнительно содержит люминесцентный элемент, размещенный в или на по меньшей мере одном первом оптическом элементе. Таким образом, обеспечено светоизлучающее устройство, с помощью которого по меньшей мере часть света, выводимого из первого световода через по меньшей мере одну первую дополнительную поверхность, подвергается второму преобразованию длины волны, и с помощью которого выход света светоизлучающего устройства может быть обеспечен еще более сложными распределениями цвета.
В одном варианте осуществления светоизлучающее устройство дополнительно содержит множество вторых твердотельных источников света, выполненных с возможностью при функционировании излучения третьего света с пятым спектральным распределением, и второй световод, содержащий вторую поверхность входа света, вторую концевую поверхность, продолжающиеся под углом, отличным от нуля, относительно друг друга, и по меньшей мере одну вторую дополнительную поверхность, причем множество вторых твердотельных источников света размещены на второй поверхности входа света, причем второй световод выполнен с возможностью приема третьего света с пятым спектральным распределением на второй поверхности входа света, направления по меньшей мере части третьего света с пятым спектральным распределением ко второй концевой поверхности и вывода по меньшей мере части третьего света с пятым спектральным распределением из второй концевой поверхности, причем светоизлучающее устройство дополнительно содержит по меньшей мере один четвертый оптический элемент, выполненный с возможностью формирования света, выводимого из второго световода через по меньшей мере одну вторую дополнительную поверхность, чтобы обеспечивать третий сформированный свет, и по меньшей мере один пятый оптический элемент, размещенный в или на по меньшей мере одной второй концевой поверхности.
В одном варианте осуществления по меньшей мере один пятый оптический элемент выполнен с возможностью формирования третьего света с пятым спектральным распределением, выводимого из второго световода через по меньшей мере одну вторую концевую поверхность, чтобы обеспечивать четвертый сформированный свет.
В одном варианте осуществления по меньшей мере один первый оптический элемент представляет собой первую часть отражающего элемента, а по меньшей мере один четвертый оптический элемент представляет собой вторую часть отражающего элемента, причем первая часть и вторая часть отражающего элемента разделены посредством разделительного элемента.
В одном варианте осуществления по меньшей мере один четвертый оптический элемент выполнен с возможностью обеспечения по меньшей мере части третьего сформированного света с седьмым спектральным распределением, причем по меньшей мере один пятый оптический элемент выполнен с возможностью обеспечения по меньшей мере части четвертого сформированного света с восьмым спектральным распределением, отличным от седьмого спектрального распределения.
В одном варианте осуществления светоизлучающее устройство дополнительно содержит по меньшей мере один шестой оптический элемент, размещенный и выполненный с возможностью формирования одной или более из по меньшей мере части третьего сформированного света, сформированного четвертым оптическим элементом, и по меньшей мере части четвертого сформированного света, сформированного пятым оптическим элементом.
По меньшей мере один четвертый, пятый и шестой оптический элемент может быть выбран из группы, содержащей отражатель, параболический отражатель, оптический элемент с полным внутренним отражением, составной концентратор, составной параболический концентратор, линзу, массив линз, дифракционный элемент и преломляющий элемент.
В одном варианте осуществления вторая поверхность входа света и вторая поверхность выхода света продолжаются перпендикулярно друг другу.
В дополнение к преимуществам, подобным отмеченным выше, варианты осуществления, содержащие второй световод, обеспечивают светоизлучающее устройство, излучающее свет с еще более высокой интенсивностью или яркостью и способное обеспечивать световой пучок с желаемой формой, распределением света и распределением цвета значительно более высокой сложности простым и экономичным образом, в частности, так как полный выход света светоизлучающего устройства согласно этим вариантам осуществления содержит по меньшей мере четыре различных световых компонента, а именно по меньшей мере первый, второй и третий сформированный свет, а также свет, выводимый из второй концевой поверхности второго световода, либо формируемый впоследствии, либо нет.
Более 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.
Кроме того, изобретение относится к лампе, осветительному устройству или системе освещения, содержащим светоизлучающее устройство по любому из предыдущих пунктов, причем лампа, осветительное устройство и система используются в одной или более из следующих областей применения: цифровая проекция, автомобильное освещение, сценическое освещение, освещение магазинов, домашнее освещение, направленное освещение, точечное освещение, театральное освещение, оптоволоконное освещение, системы отображения, системы сигнального освещения, области применения медицинского освещения, области применения декоративного освещения.
Отметим, что изобретение относится ко всем возможным сочетаниям признаков, перечисленным в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты настоящего изобретения далее будут описаны более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, показывающие вариант(ы) осуществления изобретения.
Фиг. 1 показывает вид в перспективе первого варианта осуществления светоизлучающего устройства согласно изобретению.
Фиг. 2 показывает вид сбоку светоизлучающего устройства согласно Фиг. 1.
Фиг. 3-5 показывают виды сбоку трех дополнительных различных вариантов осуществления светоизлучающего устройства согласно изобретению, изображающие различные оптические элементы.
Фиг. 6 показывает вид сбоку пятого варианта осуществления светоизлучающего устройство согласно изобретению.
Фиг. 7 показывает вид сбоку шестого варианта осуществления светоизлучающего устройства согласно изобретению.
Фиг. 8 показывает вид в перспективе седьмого варианта осуществления светоизлучающего устройства согласно изобретению.
Фиг. 9 показывает вид сбоку светоизлучающего устройства согласно Фиг. 8.
Фиг. 10 показывает схематическое сечение варианта осуществления светоизлучающего устройства согласно изобретению.
Фиг. 11 показывает иллюстрацию применения светоизлучающего устройства согласно изобретению в автомобильной фаре.
Как проиллюстрировано на фигурах, размеры слоев, элементов и областей увеличены в целях наглядности и, таким образом, обеспечены для иллюстрации общих структур вариантов осуществления настоящего изобретения. Одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам так, что, например, светоизлучающее устройство согласно изобретению в целом обозначено ссылочной позицией 1, тогда как его различные конкретные варианты осуществления обозначены добавлением 01, 02, 03 и т.д. к общей ссылочной позиции.
Подробное описание
Настоящее изобретение далее будет описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показаны варианты осуществления изобретения. Однако это изобретение может быть выполнено во многих различных формах и не должно толковаться как ограниченное изложенными здесь вариантами осуществления; точнее, эти варианты осуществления обеспечены для законченности и полноты, и полностью передают объем охраны изобретения специалисту в данной области техники.
Следующее описание будет начинаться с общих положений, касающихся областей применения, подходящих источников света и подходящих материалов для различных элементов и признаков светоизлучающего устройства согласно изобретению. С этой целью множество признаков и элементов могут быть добавлены к любому из вариантов осуществления светоизлучающего устройства согласно изобретению, как указано дополнительно ниже.
Светоизлучающее устройство согласно изобретению может быть использовано в областях применения, включая, но не ограничиваясь, лампу, световой модуль, осветительное устройство, точечный источник света, фонарь, прожектор, устройство цифровой проекции, автомобильное освещение, такое как, например, фара или задние габаритные огни автомобильного транспортного средства, освещение арен, театральное освещение и архитектурное освещение.
Источники света, которые представляют собой часть вариантов осуществления согласно изобретению, как указано ниже, выполнены с возможностью при функционировании излучения света с первым спектральным распределением. Этот свет впоследствии вводится в световод или волновод. Световод или волновод может преобразовывать свет первого спектрального распределения в другое спектральное распределение и направляет свет к поверхности выхода. Источник света в принципе может быть любого типа точечного источника света, но в варианте осуществления представляет собой твердотельный источник света, такой как светоизлучающий диод (светодиод, LED), лазерный диод или органический светоизлучающий диод (OLED), множество светоизлучающих диодов или лазерных диодов или органических светоизлучающих диодов или массив светоизлучающих диодов или лазерных диодов или органических светоизлучающих диодов, или сочетание любых из них. Светоизлучающий диод в принципе может представлять собой светоизлучающий диод любого цвета или их сочетание, но в варианте осуществления представляет собой источник синего света, производящий свет от источника света в синем цветовом диапазоне, который определен как диапазон длин волн между 380 нм и 495 нм. В другом варианте осуществления источник света представляет собой источник ультрафиолетового или фиолетового света, т.е. излучающий в диапазоне длин волн менее 420 нм. В случае множества или массива светоизлучающих диодов или лазерных диодов или органических светоизлучающих диодов светоизлучающие диоды или лазерные диоды или органические светоизлучающие диоды могут в принципе представлять собой светоизлучающие диоды или лазерные диоды или органические светоизлучающие диоды двух или более различных цветов, таких как, но не ограничиваясь, ультрафиолетовый, синий, зеленый, желтый или красный.
Источник света может представлять собой источник красного света, т.е. излучающий в диапазоне длин волн, например, между 600 нм и 800 нм. Такой источник красного света может представлять собой, например, источник света любого из вышеуказанных типов, непосредственно излучающий красный свет или обеспеченный люминофором, подходящим для преобразования света от источника света в красный свет. Этот вариант, в частности, предпочтителен в сочетании со световодом, выполненным с возможностью преобразования света от источника света в инфракрасный (IR) свет, т.е. свет с длиной волны более чем около 800 нм и в подходящем варианте осуществления с пиковой интенсивностью в диапазоне от 810 до 850 нм. В варианте осуществления такой световод содержит инфракрасный излучающий люминофор. Светоизлучающее устройство с этими характеристиками особенно предпочтительно для использования в системах ночного видения, но также может быть использовано в любых из отмеченных выше областей применения.
Другой пример представляет собой сочетание первого источника красного света, излучающего свет в диапазоне длин волн между 480 нм и 800 нм и вводящего этот свет в люминесцентный стержень или волновод, и второго источника света, излучающего синий или ультрафиолетовый или фиолетовый свет, т.е. с длиной волны менее 480 нм, и также вводящего его излучаемый свет в люминесцентный волновод или стержень. Свет второго источника света преобразуется люминесцентным волноводом или стержнем в диапазон длин волн между 480 нм и 800 нм, а свет первого источника света, вводимый в люминесцентный волновод или стержень, не будет преобразовываться. Другими словами, второй источник света излучает ультрафиолетовый, фиолетовый или синий свет, впоследствии преобразуемый люминесцентным концентратором в свет в зелено-желто-оранжево-красной спектральной области. В другом варианте осуществления первый источник света излучает в диапазоне длин волн между 500 нм и 600 нм, и свет от второго источника света преобразуется люминесцентным волноводом или стержнем в диапазон длин волн между 500 нм и 600 нм. В другом варианте осуществления первый источник света излучает в диапазоне длин волн между 600 нм и 750 нм, и свет от второго источника света преобразуется люминесцентным волноводом или стержнем в диапазон длин волн между 600 нм и 750 нм. В варианте осуществления свет от первого источника света вводится в люминесцентный волновод или стержень на другой поверхности, например, поверхности противоположной поверхности выхода света, чем поверхность, на которой свет от второго источника света вводится в люминесцентный волновод или стержень. Эти варианты осуществления обеспечивают люминесцентный волновод или стержень, излучающий в диапазоне красного света с увеличенной яркостью.
Световоды, как указано ниже в вариантах осуществления согласно изобретению, в общем могут представлять собой световоды в форме стержня или планки, имеющие высоту H, ширину W и длину L, продолжающиеся во взаимно перпендикулярных направлениях, и являющиеся в вариантах осуществления прозрачными, или прозрачными и люминесцентными. Свет направляется в общем в направлении длины L. Высота H в вариантах осуществления составляет <10 мм, в других вариантах осуществления <5 мм, в еще других вариантах осуществления <2 мм. Ширина W в вариантах осуществления составляет <10 мм, в других вариантах осуществления <5 мм, в еще других вариантах осуществления <2 мм. Длина L в вариантах осуществления больше, чем ширина W и высота H, в других вариантах осуществления по меньшей мере в 2 раза больше ширины W или в 2 раза больше высоты H, в других вариантах осуществления по меньшей мере в 3 раза больше ширины W или 3 раза больше высоты H. Отношение высота H: ширина W обычно составляет 1:1 (например, для общих областей применения источника света) или 1:2, 1:3 или 1:4 (например, для особых областей применения источника света, таких как фары) или 4:3, 16:10, 16:9 или 256:135 (например, для областей применения для отображения). Световоды в общем содержат поверхность входа света и поверхность выхода света, которые расположены не в параллельных плоскостях, и в вариантах осуществления поверхность входа света перпендикулярна поверхности выхода света. Для получения высокой яркости, концентрированного выхода света, площадь поверхности выхода света может быть меньше, чем площадь поверхности входа света. Поверхность выхода света может иметь любую форму, но в вариантах осуществления имеет форму квадрата, прямоугольника, круга, овала, треугольника, пятиугольника или шестиугольника.
Прозрачные световоды могут в вариантах осуществления содержать прозрачную подложку, на которой эпитаксиально выращено множество источников света, например, светоизлучающих диодов. Подложка в вариантах осуществления представляет собой монокристаллическую подложку, такую как, например, сапфировая подложка. Прозрачная подложка для выращивания источников света в этих вариантах осуществления представляет собой концентрирующий свет световод.
В общем световод в форме стержня или планки может иметь любую форму поперечного сечения, но в вариантах осуществления имеет поперечное сечение в форме квадрата, прямоугольника, круга, овала, треугольника, пятиугольника, или шестиугольника. В общем световоды являются кубовидными, но могут быть обеспечены формой отличной от кубоида с поверхностью входа света, имеющей приблизительно форму трапеции. Таким образом, световой поток может быть даже усилен, что может быть предпочтительным для некоторых областей применения.
Световоды также могут представлять собой цилиндрические стержни. В вариантах осуществления цилиндрические стержни имеют одну уплощенную поверхность вдоль продольного направления стержня, на которой могут быть размещены источники света для эффективного ввода света, излучаемого источниками света, в световод. Уплощенная поверхность также может быть использована для размещения радиаторов. Цилиндрический световод также может иметь две уплощенные поверхности, например, расположенные противоположно друг другу или размещенные перпендикулярно друг другу. В вариантах осуществления уплощенная поверхность продолжается вдоль части продольного направления цилиндрического стержня.
Подходящие материалы для световодов, как указано ниже согласно вариантам осуществления изобретения, представляют собой сапфир, поликристаллический оксид алюминия и/или нелегированные прозрачные гранаты, такие как YAG, LuAG, имеющие показатель преломления n=1,7. Дополнительное преимущество этого материала (вышеуказанного, например, стекла) заключается в том, что он имеет хорошую теплопроводность, таким образом, уменьшая локальное нагревание. Другие подходящие материалы включают в себя, но не ограничиваются, стекло, кварц и прозрачные полимеры. В других вариантах осуществления материал световода представляет собой свинцовое стекло. Свинцовое стекло представляет собой разновидность стекла, в котором свинец заменяет содержание кальция типичного калиевого стекла, и, таким образом, показатель преломления может быть увеличен. Обычное стекло имеет показатель преломления n=1,5, тогда как добавление свинца производит показатель преломления, достигающий 1,7.
Световоды, как указано ниже согласно вариантам осуществления изобретения, могут содержать подходящий люминесцентный материал для преобразования света в другое спектральное распределение. Подходящие люминесцентные материалы включают в себя неорганические люминофоры, такие как легированный YAG, LuAG, органические люминофоры, органические флуоресцентные красители и квантовые точки, которые хорошо подходят для целей вариантов осуществления настоящего изобретения, как указано ниже.
2
2
Квантовые точки представляют собой небольшие кристаллы полупроводникового материала, в общем имеющие ширину или диаметр всего несколько нанометров. При возбуждении падающим светом квантовая точка излучает свет цвета, определяемого размером и материалом кристалла. В связи с этим свет конкретного цвета может быть получен путем адаптации размера точек. Наиболее известные квантовые точки с излучением в видимом диапазоне основаны на селениде кадмия (CdSe) с оболочкой, такой как сульфид кадмия (CdS) и сульфид цинка (ZnS). Бескадмиевые квантовые точки, такие как фосфид индия (InP) и медный сульфид индия (CuInS) и/или серебряный сульфид индия (AgInS), также могут быть использованы. Квантовые точки показывают очень узкую полосу излучения, и, таким образом, они показывают насыщенные цвета. Более того, цвет излучения может быть легко настроен путем адаптации размера квантовых точек. Любой тип квантовой точки, известный в уровне техники, может быть использован в вариантах осуществления настоящего изобретения, как указано ниже. Однако может быть предпочтительно по причинам экологической безопасности и защиты использование бескадмиевых квантовых точек или по меньшей мере квантовых точек, имеющих очень низкое содержание кадмия.
Также могут быть использованы органические флуоресцентные красители. Молекулярная структура может быть выполнена так, что положение спектрального пика может быть настроено. Примеры подходящих материалов органических флуоресцентных красителей представляют собой органические люминесцентные материалы, основанные на производных перилена, например, соединения, продаваемые под названием Lumogen компанией BASF. Примеры подходящих соединений включают в себя, но не ограничиваются, Lumogen Red F305, Lumogen Orange F240, Lumogen Yellow F083 и Lumogen F170.
3
5
12
3
15
12
1-x
3
2-x-z
x
5-y
y
8-y
y
z
Люминесцентный материал также может представлять собой неорганический люминофор. Примеры неорганических люминофорных материалов включают в себя, но не ограничиваются, легированный церием (Ce) YAG (YAlO) или LuAG (LuAO). Легированный церием YAG излучает желтоватый свет, тогда как легированный церием LuAG излучает желто-зеленоватый свет. Примеры других неорганических люминофорных материалов, которые излучают красный свет, могут включать в себя, но не ограничиваются, ECAS и BSSN; ECAS представляет собой CaAlSiN:Eux, где 0<x≤1, в других вариантах осуществления 0<x≤0,2; и BSSN представляет собой BaMSiAlNO:Eu, где M представляет Sr или Ca, 0≤x≤1, 0<y≤4 и 0,0005≤z≤0,05, и в вариантах осуществления 0≤x≤0,2.
(1-х-у)
х
у
3
(1-z)
z
5
12
(1-х-у)
х
у
2
3
(1-x-y)
x
y
(1-z)
(1-x-y)
x
y
(2-x)
x
2
7
(1-x)
x
(1-y)
y
3
В вариантах осуществления изобретения, как указано ниже, люминесцентный материал изготовлен из материала, выбранного из группы, содержащей (М<I>М<II>М<III>)(M<IV>M<V>)O, где M<I> выбран из группы, содержащей Y, Lu или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Gd, La, Yb или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu или их смеси, M<IV> представляет собой Al, M<V> выбран из группы, содержащей Ga, Sc или их смеси, и 0<x≤1, 0<y≤0,1, 0<z<1, (М<I>М<II>М<III>)O, где M<I> выбран из группы содержащей Y, Lu или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Gd, La, Yb или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu, Bi, Sb или их смеси, и 0<x≤1, 0<y≤0,1, (M<I>M<II>M<III>)SSe, где M<I> выбран из группы, содержащей Ca, Sr, Mg, Ba или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr, Sb, Sn или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей K, Na, Li, Rb, Zn или их смеси, и 0<x≤0,01, 0<y≤0,05, 0≤z<1, (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбран из группы содержащей Ca, Sr, Mg, Ba или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей K, Na, Li, Rb, Zn или их смеси, и 0<x≤0,1, 0<y≤0,1, (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбран из группы, содержащей La, Y, Gd, Lu, Ba, Sr или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, Tm или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей Hf, Zr, Ti, Та, Nb или их смеси, и 0<x≤1, M<I>M<II>M<III>M<IV>)O, где M<I> выбран из группы содержащей Ba, Sr, Ca, La, Y, Gd, Lu или их смеси, M<II> выбран из группы, содержащей Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, Tm или их смеси, M<III> выбран из группы, содержащей Hf, Zr, Ti, Та, Nb или их смеси, и M<IV> выбран из группы, содержащей Al, Ga, Sc, Si или их смеси, и 0<x≤0,1, 0<y≤0,1, или их смеси.
3
5
12
Другие подходящей люминесцентные материалы представляют собой легированный церием иттрий-алюминиевый гранат (YAG, YAlO) и лютеций-алюминиевый гранат (LuAG). Люминесцентный световод может содержать центральную длину волны излучения в синем цветовом диапазоне или в зеленом цветовом диапазоне или в красном цветовом диапазоне. Синий цветовой диапазон определен между 380 нанометрами и 495 нанометрами, зеленый цветовой диапазон определен между 495 нанометрами и 590 нанометрами, и красный цветовой диапазон определен между 590 нанометрами и 800 нанометрами.
Выбор люминофоров, которые могут быть использованы в вариантах осуществления, приведен ниже в таблице 1 вместе с максимальной длиной волны излучения.
<b>Таблица 1</b>
Люминофор
Максимальная длина волны излучения (нм)
CaGa<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Ce
475
SrGa<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Ce
450
BaAl<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Eu
470
CaF<sub>2</sub>:Eu
435
Bi<sub>4</sub>Si<sub>3</sub>O<sub>12</sub>:Ce
470
Ca<sub>3</sub>Sc<sub>2</sub>Si<sub>3</sub>O<sub>12</sub>:Ce
490
Световоды, как указано ниже согласно вариантам осуществления изобретения, могут содержать области с различной плотностью подходящего люминесцентного материала для преобразования света в другое спектральное распределение. В варианте осуществления прозрачный световод содержит две части смежные 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 смежную второй части, которая содержит другой люминесцентный материал или другую концентрацию того же люминесцентного материала. Различные части могут быть образованы как одно целое, таким образом, образуя один элемент или один световод. В варианте осуществления частично отражающий элемент может быть расположен между различными частями световода, например, между первой частью и второй частью. Частично отражающий элемент выполнен с возможностью передачи света с одной определенной длиной волны или спектральным распределением и с возможностью отражения света с другой, отличной определенной длиной волны или спектральным распределением. Частично отражающий элемент может, таким образом, представлять собой дихроичный элемент, такой как дихроичное зеркало.
В другом варианте осуществления (не показан) множество областей преобразования длины волны люминесцентного материала размещены на поверхности входа света прозрачного световода над или сверху множества источников света, таких как светоизлучающие диоды. Таким образом, площадь поверхности каждой из множества областей преобразования длины волны соответствует площади поверхности каждого из множества источников света так, что свет от источников света вводится в прозрачный световод через области люминесцентного материала. Преобразованный свет далее вводится в прозрачную часть световода и впоследствии направляется к поверхности выхода света световода. Области преобразования длины волны могут быть размещены на поверхности входа света, или они могут быть образованы в световоде. Области преобразования длины волны могут образовывать часть гомогенного слоя, размещенного на или в световоде на поверхности входа света. Части гомогенного слоя, продолжающиеся между двумя близлежащими областями преобразования длины волны, могут быть прозрачными и могут дополнительно или альтернативно иметь такой же показатель преломления, что и области преобразования длины волны. Различные области преобразования длины волны могут содержать взаимно различные люминесцентные материалы. Расстояние между источниками света и люминесцентными областями может составлять менее 2 мм, менее 1 мм или менее 0,5 мм.
in
in
in
out
out
in
out
in
out
out
in
in
out
out
out
out
in
in
th
В вариантах осуществления светоизлучающего устройства согласно изобретению, как указано ниже, вводная структура или вводная среда может быть обеспечена для эффективного ввода света, излучаемого источниками света, в световод. Вводная структура может представлять собой преломляющую структуру, имеющую элементы, такие как, например, выступы и выемки, образующие волнообразную структуру. Типичный размер элементов вводной структуры составляет 5 мкм-500 мкм. Форма элементов может быть, например, полусферической (линзы), призматической, синусоидальной или произвольной (например, подвергнутой пескоструйной обработке). Путем выбора подходящей формы количество света, вводимого в световод, может быть настроено. Преломляющие структуры могут быть изготовлены механическими средствами, такими как выдалбливание, пескоструйная обработка или т.п. Альтернативно преломляющие структуры могут быть изготовлены путем копирования в подходящем материале, таком как, например, полимер или материал, полученный с помощью золь-гель технологии. Альтернативно вводная структура может представлять собой дифракционную структуру, причем типичный размер элементов дифракционной вводной структуры составляет 0,2 мкм-2 мкм. Углы θ дифракции внутри световода заданы уравнением решетки λ/Λ=n×sinθ-n×sinθ, где λ представляет собой длину волны света от светоизлучающих диодов, Λ представляет собой период решетки, n и n представляют собой показатели преломления внутри и снаружи световода, θ и θ представляют собой угол дифракции внутри и угол падения снаружи световода соответственно. Если мы предположим один и тот же показатель преломления n=1 для слоя с низким показателем и вводной среды, то мы обнаружим при условии полного внутреннего отражения nsinθ=n, следующее условие: λ/Λ=1-sinθ, т.е. Λ=λ для нормального падения θ=0. В общем не все другие углы θ дифрагируются в световод. Это будет происходить, только если их показатель преломления n является достаточно высоким. Из уравнения решетки следует, что для условия n≥2, все углы дифрагируются, если Λ=λ. Также другие периоды и показатели преломления могут быть использованы, приводя к меньшему количеству света, который дифрагируется в световод. Более того, в общем много света передается (порядок 0). Количество дифрагированного света зависит от формы и высоты структур решетки. Путем выбора подходящих параметров количество света, вводимого в световод, может быть настроено. Такие дифракционные структуры наиболее просто изготавливать путем копирования из структур, которые уже изготовлены, например, с помощью электронно-лучевой литографии или голографии. Копирование может быть выполнено способом подобным мягкой наноимпринтной литографии. Вводная среда может, например, представлять собой воздух или другой подходящий материал.
Фиг. 1 показывает вид в перспективе светоизлучающего устройства 1 согласно первому и общему варианту осуществления изобретения. Фиг. 2 показывает вид сбоку светоизлучающего устройства 1. Светоизлучающее устройство 1 в общем содержит множество первых источников 21, 22, 23, 24, 25 света, первый световод 3 и по меньшей мере один первый оптический элемент 91.
Описанные здесь источники света представляют собой твердотельные источники света, такие как светоизлучающие диоды, подходящие типы светоизлучающих диодов описаны выше. В вариантах осуществления первые источники 21, 22, 23, 24, 25 света все излучают свет, имеющий одинаковое спектральное распределение, но могут в альтернативных вариантах осуществления излучать свет, имеющий два или более различных спектральных распределений. В вариантах осуществления источники света излучают свет в синей области длин волн, но также могут излучать свет в фиолетовой или ультрафиолетовой области.
Первые источники 21, 22, 23, 24, 25 света могут быть размещены на основании или подложке в виде радиатора, в вариантах осуществления изготовленного из металла, такого как медь, железо или алюминий. Радиатор может содержать ребра для улучшенного рассеивания тепла. Отметим, что в других вариантах осуществления основание или подложка необязательно представляют собой радиатор. Путем обеспечения радиатора тепло, производимое источником света, может быть рассеяно от световода эффективным образом. Это, в свою очередь, обеспечивает увеличение максимальной получаемой выходной интенсивности света светоизлучающего устройства, а также уменьшение или даже устранение неблагоприятных воздействий на оптические характеристики светоизлучающего устройства, вызываемых избыточным теплом в световоде. Однако радиатор не является необходимым элементом, и, таким образом, может быть исключен в других вариантах осуществления.
Как может быть видно в настоящем варианте осуществления, первые источники света расположены в ряд из пяти первых источников света. Отметим, что в принципе любое другое количество первых источников света может быть представлено, такое как, например, десять, двадцать или тридцать первых источников света.
Первый световод 3 показан в общем в форме квадратной пластины, имеющей первую поверхность 31 входа света и первую поверхность 32 выхода света, продолжающиеся по углом, отличным от нуля, друг относительно друга так, что первая поверхность 32 выхода света представляет собой первую концевую поверхность первого световода 3. Первый световод 3 дополнительно содержит первые дополнительные поверхности 33, 34, 35, 36, из которых поверхность 36 продолжается противоположно и параллельно первой поверхности 32 выхода света. В вариантах осуществления поверхность, которая противоположна и параллельна первой поверхности 32 выхода света, может быть обеспечена отражателем или отражающим слоем. Первый световод 3 также может быть в форме планки или стержня или, например, в форме прямоугольной пластины. Первые источники 21, 22, 23, 24, 25 света расположены смежно и в оптическом контакте с первой поверхностью 31 входа света первого световода 3. В варианте осуществления множество твердотельных источников света также расположены смежно и в оптическом контакте с первой дополнительной поверхностью 36, которая продолжается противоположно и параллельно первой поверхности 32 выхода света, причем эта первая дополнительная поверхность 36 также функционирует в качестве поверхности входа света.
Также возможны альтернативные конфигурации светоизлучающего устройства согласно изобретению, в которых первая поверхность 32 выхода света и дополнительная поверхность 36 представляют собой взаимно противоположные боковые поверхности, а первая поверхность 31 входа света представляет собой концевую поверхность.
Также возможны альтернативные конфигурации светоизлучающего устройства согласно изобретению, в которых первая поверхность 32 выхода света и первая поверхность 31 входа света представляют собой взаимно параллельные и противоположные поверхности.
Более того, первый световод 3 может содержать прозрачный материал, люминесцентный материал, гранат, концентрирующий свет материал или их совокупность, подходящие материалы и гранаты описаны выше. Первый световод 3 направляет свет по существу в продольном направлении к первой концевой поверхности, главным образом, в направлении параллельном первым дополнительным поверхностям.
В варианте осуществления первый световод 3 представляет собой световод для направления света к поверхности выхода и выполнен с возможностью или способностью преобразования света с одним спектральным распределением в свет с другим спектральным распределением. Таким образом, в варианте осуществления первый световод 3 представляет собой прозрачный световод и содержит материал, выполненный с возможностью преобразования света со спектральным распределением в свет с другим спектральным распределением. Этот материал, выполненный с возможностью преобразования света со спектральным распределением в свет с другим спектральным распределением, может быть размещен на поверхности первого световода 3, но в варианте он встроен в первый световод 3.
В альтернативном варианте первый световод 3 представляет собой прозрачный световод, который направляет свет, излучаемый от твердотельных источников света, к поверхности выхода, и причем первый световод 3 не преобразует свет в свет с другим спектральным распределением. Например, прозрачный световод может содержать прозрачную подложку, на которой эпитаксиально выращены твердотельные источники света. Подложка в вариантах осуществления представляет собой монокристаллическую подложку, такую как, например, сапфировая подложка. Прозрачная подложка для выращивания источников света, таким образом, в этих вариантах осуществления представляет собой концентрирующий свет прозрачный световод.
Светоизлучающее устройство 1, кроме того, содержит первый оптический элемент 91 для формирования света, выводимого из первого световода 3 через первые дополнительные поверхности 33, 34, 35 и 36, причем этот свет в противном случае (в случае отсутствия первого оптического элемента) был бы потерян. Первый оптический элемент 91 в этом примере расположен смежно, в или на по меньшей мере одной первой дополнительной поверхности. Другими словами, первый световод 3 в этом примере расположен в первом оптическом элементе 91. Первый световод 3 может, но не обязательно, быть размещен в центре первого оптического элемента 91. Отметим, что в варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, большая часть света, который в противном случае теряется, выводится только через две первые дополнительные поверхности, а именно первые дополнительные поверхности 33 и 34 первого световода 3. Таким образом, в этом и подобных вариантах осуществления первый оптический элемент 91 необязательно должен быть выполнен с возможностью формирования света, выводимого из всех первых дополнительных поверхностей первого световода 3.
Первый оптический элемент 91 может, путем неограничивающих примеров, представлять собой отражатель, параболический отражатель, оптический элемент с полным внутренним отражением, составной концентратор, составной параболический концентратор, линзу, массив линз, преломляющий элемент, дифракционный элемент и любое сочетание таких элементов.
В альтернативных вариантах осуществления первый оптический элемент может быть обеспечен в виде составного оптического элемента, и/или первый оптический элемент может быть обеспечен только смежно, в или на некоторых, и, таким образом, не всех, из первых дополнительных поверхностей. В таких вариантах осуществления, кроме того, возможно, что первый оптический элемент может представлять собой составной оптический элемент, содержащий различные типы оптических элементов, например, так, что каждая или часть первых дополнительных поверхностей может быть обеспечена различными типами оптических элементов. В других вариантах осуществления первый оптический элемент также может иметь более чем одну, например, две, три или четыре, оптические камеры, например, так, что каждой первой дополнительной поверхности первого световода может быть назначена одна отдельная оптическая камера первого оптического элемента.
Однако в показанных вариантах осуществления первый оптический элемент 91 представляет собой отражатель, содержащий концевую поверхность 911 и две параболические боковые поверхности 912, 913, а также две плоские боковые поверхности, продолжающиеся между параболическими боковыми поверхностями 912, 913. Подходящая альтернатива представляет собой вращательный симметричный параболический отражатель.
Первая дополнительная поверхность 36 первого световода 3, продолжающаяся противоположно и параллельно первой поверхности 32 выхода света, в варианте осуществления расположена смежно концевой поверхности 911 первого оптического элемента 91. Концевая поверхность 911 первого оптического элемента 91 действует в этом варианте осуществления в качестве отражателя, отражающего свет, который выходит через эту первую дополнительную поверхность 36 обратно в первый световод 3. Параболические боковые поверхности 912, 913 формируют свет, выводимый из первого световода 3 через первые дополнительные поверхности 33, 34 и 35, для образования первого сформированного света 81, и направляют первый сформированный свет 81 из светоизлучающего устройства 1 в направлении, по существу соответствующем направлению, в котором излучается свет, выводимый из первой поверхности 32 выхода света.
Светоизлучающее устройство 1, кроме того, содержит в этом варианте осуществления второй оптический элемент 92 для формирования света, выводимого из первого световода 3 через первую поверхность 32 выхода света. Второй оптический элемент 92 может, путем неограничивающих примеров, представлять собой отражатель, параболический отражатель, оптический элемент с полным внутренним отражением, составной концентратор, составной параболический концентратор, линзу, массив линз, дифракционный элемент, преломляющий элемент и любое их сочетание. Второй оптический элемент 92 может, но не обязательно, быть того же типа оптического элемента, что и первый оптический элемент 91.
В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1 и 2, второй оптический элемент 92 представляет собой отражатель, содержащий концевую поверхность, через которую выходит свет, две параболические боковые поверхности и две плоские боковые поверхности, продолжающиеся между параболическими боковыми поверхностями. Подходящая альтернатива представляет собой вращательный симметричный параболический отражатель. Второй оптический элемент 92 размещен смежно и продолжается от первой поверхности 32 выхода света, чтобы формировать свет, выводимый из первого световода 3 через первую поверхность 32 выхода света, таким образом, образуя второй сформированный свет 82.
Со ссылкой на Фиг. 1 и 2 светоизлучающее устройство согласно варианту осуществления изобретения в общем работает следующим образом. Первый свет 13, имеющий первое спектральное распределение, излучается каждым источником света из первых источников 21, 22, 23, 24, 25 света. Первый свет 13, имеющий первое спектральное распределение, далее вводится в первый световод 3 на первой поверхности 31 входа света. По меньшей мере часть первого света 13 с первым спектральным распределением преобразуется световодом 3 во второй свет 14, имеющий второе спектральное распределение. Свет, который, главным образом, состоит из второго света, имеющего второе спектральное распределение, и который далее обозначен ссылочной позицией 14 на фигурах, выводится из первого световода 3 на первой поверхности 32 выхода света. Одновременно свет, который, главным образом, состоит из первого света, имеющего первое спектральное распределение, и который далее обозначен ссылочной позицией 13 на фигурах, выводится из первого световода 3 через по меньшей мере одну из первых дополнительных поверхностей 33, 34, 35 и 36.
В альтернативном варианте осуществления световод является прозрачным, и световод, таким образом, не преобразует свет в другое спектральное распределение. В этом варианте осуществления часть света выводится из первого световода 3 через первую поверхность 32 выхода света, а часть света выводится из первого световода 3 через по меньшей мере одну из первых дополнительных поверхностей 33, 34, 35 и 36. Свет 13, выводимый из по меньшей мере одной из первых дополнительных поверхностей 33, 34, 35 и 36 формируется первым оптическим элементом 91 так, что обеспечивается первый сформированный свет 81. Одновременно второй свет 14, выводимый из первой поверхности 32 выхода света формируется по меньшей мере одним вторым оптическим элементом 92 так, что обеспечивается второй сформированный свет 82. Первый сформированный свет 81 и второй сформированный свет 82 излучаются светоизлучающим устройством 1, тем самым образуя комбинированный световой пучок, который содержит сочетание различных форм света, распределений света и спектральных распределений. Различные формы света, распределения света и спектральные распределения, образующие излучаемый световой пучок, зависят от свойств первого световода 3 и первого и второго оптического элемента 91 и 92.
Далее обратимся к Фиг. 3-5, на которых показаны три дополнительных различных варианта осуществления светоизлучающего устройства согласно изобретению, иллюстрирующие различные примеры вторых оптических элементов для формирования света, выводимого из первой поверхности 32 выхода света первого световода 3.
Светоизлучающее устройство 101, показанное на Фиг. 3, содержит второй оптический элемент 921 в виде линзы, обеспеченной на первой поверхности 32 выхода света первого световода 3.
Светоизлучающее устройство 102, показанное на Фиг. 4 содержит второй оптический элемент 922 в виде массива линз, обеспеченного смежно первой поверхности 32 выхода света первого световода 3 и продолжающегося к каждой стороне первой поверхности 32 выхода света, чтобы также быть размещенным впереди первого оптического элемента 91. Таким образом, обеспечен второй оптический элемент 922, который, кроме того, выполнен с возможностью формирования всего первого сформированного света 81, сформированного первым оптическим элементом 91. Этот эффект может альтернативно быть получен с помощью одной единственной линзы подходящего размера.
Светоизлучающее устройство 103, показанное на Фиг. 5, содержит второй оптический элемент 923 в виде линзы, обеспеченной смежно первой поверхности 32 выхода света первого световода 3 и продолжающейся к каждой стороне первой поверхности 32 выхода света, чтобы также быть размещенной частично впереди первого оптического элемента 91. Таким образом, обеспечен второй оптический элемент 923, который, кроме того, выполнен с возможностью формирования части первого сформированного света 81, сформированного первым оптическим элементом 91. Этот эффект может альтернативно быть получен с помощью массива линз подходящего размера.
Как показано на Фиг. 3-5, оптические элементы, представляющие собой линзы или массивы линз, показаны в виде выпуклых линз. Однако они точно также могут представлять собой вогнутые линзы или, в частности, в случае массива линз, сочетание выпуклых и вогнутых линз.
Далее обратимся к Фиг. 6, на которой показан вид сбоку другого варианта осуществления светоизлучающего устройства 104 согласно изобретению. Светоизлучающее устройство 104 отличается от показанного на Фиг. 1 и описанного выше в том, что оно дополнительно содержит третий оптический элемент 93, размещенный впереди первого и второго оптических элементов 91 и 92, чтобы дополнительно формировать по меньшей мере часть первого сформированного света 81, сформированного первым оптическим элементом 91, и по меньшей мере часть второго сформированного света 82, сформированного вторым оптическим элементом 92.
Третий оптический элемент 93 может, путем неограничивающих примеров, представлять собой отражатель, параболический отражатель, отражатель с полным внутренним отражением, составной концентратор, составной параболический концентратор, линзу и массив линз. Третий оптический элемент 93 может, но не обязательно, быть того же типа оптического элемента, что и первый оптический элемент 91 и/или второй оптический элемент 92.
В альтернативных вариантах осуществления третий оптический элемент 93 может быть выполнен и/или обеспечен такими размерами, что он обеспечен с возможностью формирования только по меньшей мере части первого сформированного света 81, сформированного первым оптическим элементом 91, или по меньшей мере части второго сформированного света 82, сформированного вторым оптическим элементом 92.
Далее обратимся к Фиг. 7, на которой показан вид сбоку другого варианта осуществления светоизлучающего устройства 105 согласно изобретению. Светоизлучающее устройство 105 отличается от показанного на Фиг. 1 и описанного выше в том, что оно дополнительно содержит люминесцентный элемент 90, размещенный между первым оптическим элементом 91 и первым световодом 3. Люминесцентный элемент 90 может содержать один или более люминесцентных материалов, таких как люминофоры, которые могут быть расположенной в виде многослойной или узорной структуры. Подходящие люминесцентные материалы описаны выше.
Люминесцентный элемент 90 в общем размещен смежно по меньшей мере одной из первых дополнительных поверхностей 33, 34, 35 и 36, в варианте осуществления, показанном на Фиг. 7, проиллюстрированной первой дополнительной поверхностью 35. Люминесцентный элемент 90 преобразует часть света 13, выводимого из первого световода 3 через по меньшей мере одну из первых дополнительных поверхностей 33, 34, 35 и 36, в свет с другим спектральным распределением, в этом варианте осуществления преобразуется только свет 13, который выводится из первого световода 3 только через одну из первых дополнительных поверхностей. Таким образом, первый сформированный свет, сформированный и излучаемый из первого оптического элемента 91, состоит из света 811 и 812 соответственно с двумя различными спектральными распределениями.
Таким образом, в варианте осуществления, показанном на Фиг. 7, первый оптический элемент 91 выполнен с возможностью обеспечения первого сформированного света 811, 812 с третьим спектральным распределением, которое здесь представляет собой сочетание соответственных спектральных распределений света 811 и 812, а второй оптический элемент 92 выполнен с возможностью обеспечения второго сформированного света 82 с четвертым спектральным распределением, отличным от третьего спектрального распределения первого сформированного света 811, 812.
В альтернативном варианте осуществления люминесцентный элемент 90 может быть обеспечен, например, в виде люминесцентного слоя или покрытия, обеспеченного на внутренней поверхности первого оптического элемента 91 и/или на одной или более первых дополнительных поверхностей 33, 34, 35 и 36 и/или на первых источниках 21 света. Люминесцентный элемент 90 может альтернативно также представлять собой любой другой вид элемента преобразования длины волны. Альтернативно или в дополнение каждой из первых дополнительных поверхностей 33, 34, 35, 36 первого световода может быть назначен отдельный люминесцентный элемент.
Фиг. 8 показывает вид в перспективе светоизлучающего устройства 106 согласно другому варианту осуществления изобретения, а Фиг. 9 показывает вид сбоку светоизлучающего устройства 106.
Светоизлучающее устройство 106 содержит первые источники 211, 221 света, первый световод 3, первый оптический элемент 91 и второй оптический элемент 92 согласно любому из вариантов осуществления, описанных выше.
Светоизлучающее устройство 106 дополнительно содержит вторые твердотельные источники 212, 222 света, второй световод 4, четвертый оптический элемент 94 и пятый оптический элемент 95.
Четвертый оптический элемент 94 и пятый оптический элемент 95 могут, путем неограничивающих примеров, представлять собой отражатель, параболический отражатель, оптический элемент с полным внутренним отражением, составной концентратор, составной параболический концентратор, линзу, массив линз и любое их сочетание. Четвертый оптический элемент 94 и пятый оптический элемент 95 могут, но не обязательно, быть идентичны. Более того, четвертый оптический элемент 94 и пятый оптический элемент 95 могут, но не обязательно, быть того же типа оптического элемента, что и первый оптический элемент 91 и/или второй оптический элемент 92.
Второй световод 4 показан в общем в форме квадратной пластины, имеющей вторую поверхность 41 входа света и вторую поверхность 42 выхода света, продолжающиеся под углом отличным от нуля относительно друг друга так, что вторая поверхность 42 выхода света представляет собой вторую концевую поверхность второго световода 4. Второй световод 4 дополнительно содержит вторые дополнительные поверхности 44, 44, 45, 46, причем в этом примере одна из вторых дополнительных поверхностей, т.е. поверхность 46, продолжается параллельно и противоположно второй поверхности 42 выхода света, эта поверхность 46, таким образом, также представляет собой концевую поверхность второго световода 4. Второй световод 4 также может иметь форму планки или стержня или, например, форму прямоугольной пластины. Вторые источники 212, 222 света размещены смежно и в оптическом контакте со второй поверхностью 41 входа света второго световода 4.
Первый световод 3 и второй световод 4 размещены таким образом относительно друг друга, что первая поверхность 31 входа света и вторая поверхность 41 входа света обращены друг к другу.
Также возможны альтернативные конфигурации светоизлучающего устройства 106 согласно Фиг. 8 и 9, в которых вторая поверхность 42 выхода света и поверхность 46 представляют собой взаимно противоположный боковые поверхности, а вторая поверхность 41 входа света представляет собой концевую поверхность.
Также возможны другие альтернативные конфигурации светоизлучающего устройства 106 согласно Фиг. 8 и 9, в которых вторая поверхность 42 выхода света и вторая поверхность 41 входа света 41 представляют собой взаимно противоположные и параллельные поверхности.
Более того, второй световод 4 может содержать прозрачный материал, люминесцентный материал, гранат, концентрирующий свет материал или их совокупность, отличный или такой же как материал первого световода 3. Подходящие материалы и гранаты описаны выше.
В варианте осуществления второй световод 4 представляет собой прозрачный световод, содержащий материал, выполненный с возможностью преобразования света с одним спектральным распределением в свет с другим спектральным распределением. Материал, выполненный с возможностью преобразования света с одним спектральным распределением в свет с другим спектральным распределением, может быть размещен на поверхности второго световода 4, а в варианте осуществления он встроен во второй световод 4, и материал может быть отличным или таким же, как материал первого световода 3. В альтернативном варианте осуществления второй световод 4 представляет собой прозрачный световод для направления света, излучаемого твердотельными источниками света. Например, прозрачный световод может содержать прозрачную подложку, на которой эпитаксиально выращены твердотельные источники света. Подложка в вариантах осуществления представляет собой монокристаллическую подложку, такую как, например, сапфировая подложка. Прозрачная подложка для выращивания источников света, таким образом, в этих вариантах осуществления представляет собой концентрирующий свет прозрачный световод.
В варианте осуществления, показанном на Фиг. 8 и 9, первый оптический элемент 91 представляет собой первую часть отражающего элемента, а четвертый оптический элемент 94 представляет собой вторую часть отражающего элемента, причем первая часть и вторая часть отражающего элемента разделены посредством разделительного элемента 96. Разделительный элемент 96 может служить в качестве общего основания для первых источников 211 и 221 света и вторых источников 212 и 222 света, и/или он может сам образовывать часть первого оптического элемента 91 и/или четвертого оптического элемента 94. В варианте осуществления разделительный элемент 96 представляет собой отражающий элемент или элемент, обеспеченный отражающим покрытием или поверхностным слоем. Альтернативно или в дополнение разделительный элемент 96 может иметь теплорассеивающие свойства, чтобы функционировать в качестве элемента радиатора.
Каждый из первого световода 3 и второго световода 4 содержит люминесцентный элемент 901 и 902 соответственно. Люминесцентный элемент 901 в общем размещен смежно по меньшей мере одной из первых дополнительных поверхностей 33, 34, 35 и 36, а люминесцентный элемент 902 в общем размещен смежно по меньшей мере одной из вторых дополнительных поверхностей 43, 44, 45 и 46.
В варианте осуществления, показанном на Фиг. 8, люминесцентный элемент 901 размещен смежно первой дополнительной поверхности 36, которая продолжается параллельно и противоположно первой поверхности 32 выхода света, а люминесцентный элемент 902 размещен смежно второй дополнительной поверхности 46, которая продолжается параллельно и противоположно второй поверхности 42 выхода света. Люминесцентные элементы 901 и 902 преобразуют часть света, выводимого из первого световода 3 и второго световода 4 соответственно через первую и вторую дополнительные поверхности 36 и 46 соответственно, в свет с другим спектральным распределением, большая часть этого света затем отражается обратно в соответственный световод 3, 4 и в итоге излучается через по меньшей мере соответственную поверхность 32, 42 выхода света. Тем самым первый сформированный свет 81, сформированный и излучаемый из первого оптического элемента 91, и третий сформированный свет 84, сформированный и излучаемый из четвертого оптического элемента 94, содержат свет в общей сложности четырех различных спектральных распределений.
В альтернативных вариантах осуществления люминесцентные элементы 901, 902 могут быть заменены или могут дополнительно содержать отражающие элементы для отражения света обратно к соответственной поверхности 32, 42 выхода света.
Таким образом, в варианте осуществления, показанном на Фиг. 8, первый сформированный свет 81, обеспеченный посредством первого оптического элемента 91, второй сформированный свет 82, обеспеченный посредством второго оптического элемента 92, третий сформированный свет 84, обеспеченный посредством четвертого оптического элемента 94, и четвертый сформированный свет 85, обеспеченный посредством пятого оптического элемента 95, могут быть обеспечены взаимно различными спектральными распределениями. Альтернативно два или более из первого, второго, третьего и четвертого сформированного света 81, 82, 83 и 84 могут быть обеспечены идентичными или подобными или перекрывающимися спектральными распределениями.
Альтернативно светоизлучающее устройство, относящееся к типу, показанному на Фиг. 8 и 9, может содержать два различных или идентичных светоизлучающих устройства согласно любому из вариантов осуществления, описанных выше в отношении Фиг. 1-7. Также светоизлучающие устройства, содержащие три или более светоизлучающих устройств согласно любому из вариантов осуществления, описанных выше в отношении Фиг. 1-7, также возможны.
Светоизлучающее устройство 106 согласно Фиг. 8 и 9 в общем работает следующим образом. Первый свет 13, имеющий первое спектральное распределение, излучается первыми источниками 211, 221 света. Первый свет 13, имеющий первое спектральное распределение, далее вводится в первый световод 3 на первой поверхности 31 входа света. Часть первого света 13 с первым спектральным распределением преобразуется первым световодом 3 во второй свет 14, имеющий второе спектральное распределение. Другая часть первого света 13 с первым спектральным распределением выводится из первого световода 3 через по меньшей мере одну из первых дополнительных поверхностей 33, 34, 35 и 36 и формируется первым оптическим элементом 91, чтобы обеспечивать первый сформированный свет 81, который излучается светоизлучающим устройством 106. Второй свет 14, имеющий второе спектральное распределение, выводится из первого световода 3 на первой поверхности 32 выхода света и формируется вторым оптическим элементом 92 для образования второго сформированного света 82, который излучается светоизлучающим устройством 106. Одновременно третий свет 17, имеющий пятое спектральное распределение, излучается вторыми источниками 212, 222 света. Третий свет 17, имеющий пятое спектральное распределение, далее вводится во второй световод 4 на второй поверхности 41 входа света. Часть третьего света 17 с пятым спектральным распределением преобразуется вторым световодом 4 в четвертый свет 18, имеющий шестое спектральное распределение. Другая часть третьего света 17 с пятым спектральным распределением выводится из второго световода 4 через по меньшей мере одну из вторых дополнительных поверхностей 43, 44, 45 и 46 и формируется четвертым оптическим элементом 94, чтобы обеспечивать третий сформированный свет 84, который излучается светоизлучающим устройством 106. Четвертый свет 18, имеющий шестое спектральное распределение, выводится из второго световода 4 на второй поверхности 42 выхода света и формируется пятым оптическим элементом 95 для образования четвертого сформированного света 85, который излучается светоизлучающим устройством 106. Таким образом, в этом варианте осуществления светоизлучающее устройство 106 излучает свет, содержащий первый сформированный свет 81, второй сформированный свет 82, третий сформированный свет 83 и четвертый сформированный свет 85.
В дополнительном варианте осуществления подобном светоизлучающему устройству 104, показанному на Фиг. 6, светоизлучающее устройство согласно Фиг. 8 и 9 также может содержать шестой оптический элемент, размещенный впереди четвертого и/или пятого оптического элемента 94, 95, чтобы дополнительно формировать третий сформированный свет 84 и/или четвертый сформированный свет 85.
Также независимо от варианта осуществления комбинированный световой выход светоизлучающего устройства согласно вариантам осуществления изобретения может быть обеспечен так, что соответственный первый, второй, третий и четвертый сформированный свет, в зависимости от ситуации, перекрываются частично или полностью и/или так, что первый и/или третий сформированный свет используется, главным образом, или исключительно для фоновой подсветки.
Фиг. 10 показывает схематическое сечение варианта осуществления светоизлучающего устройства 107 согласно изобретению, в котором второй оптический элемент 92 представляет собой отражатель. Более того, в этом варианте осуществления первый световод 3 содержит область 39 вывода, на которой по меньшей мере часть света, который вводится в первый световод 3 от твердотельных источников 21, 22, 23, 24, 25 света, выводится из первого световода 3. Отражатель размещен на первой концевой поверхности 32 первого световода 3 так, что свет, который поступает на первую концевую поверхность 32, отражается обратно в световод 3, и в результате первая концевая поверхность 32 не является поверхностью выхода света в этом варианте осуществления. Таким образом, обеспечена заданная площадь или область первого световода 3, на которой свет выводится из по меньшей мере одной из первых дополнительных поверхностей. В этом варианте осуществления первый световод 3 не полностью находится в пределах первого оптического элемента 39. Вместо этого только область 39 вывода окружена первым оптическим элементом 91 так, что свет, который выводится из области 39 вывода первого световода 3, формируется первым оптическим элементом, чтобы обеспечивать первый сформированный свет. В этом варианте осуществления первый оптический элемент 91 представляет собой параболический отражатель, который формирует и перенаправляет свет, выводимый из по меньшей мере одной первой дополнительной поверхности, в главном продольном направлении первого световода 3. Другими словами, первый световод 3, который направляет свет вдоль продольного направления первой концевой поверхности, в этом варианте осуществления представляет собой боковой излучающий световод, излучающий или выводящий свет на заданную область по меньшей мере одной дополнительной поверхности первого световода 3. Это обеспечивает светоизлучающее устройство с высокой яркостью при исключении бликов.
В варианте осуществления область 39 вывода содержит рассеивающие частицы или поры, или люминофорные частицы, преобразующие свет также в другое спектральное распределение. В варианте осуществления область 39 вывода содержит шероховатую поверхность, рассеивающий слой, люминофорный слой, преломляющий слой или дифракционный слой. Эта шероховатая поверхность или дополнительный слой обеспечена на по меньшей мере одной из первых дополнительных поверхностей.
Отражатель 92 может представлять собой, например, диффузный отражатель. Отражатель 92 также может быть больше, чем первая концевая поверхность 32. В варианте осуществления отражатель 92 имеет такую форму, что боковое излучение усиливается, например, дуговую форма.
В варианте осуществления отражатель размещен на поверхности, противоположной первой концевой поверхности 32.
Другие дополнительные признаки, которые могут быть добавлены независимо от варианта осуществления, включают в себя следующее.
Источники света могут быть настроены так, что различные динамические формы пучка могут быть получены. Система освещения может содержать светоизлучающее устройство согласно изобретению и контроллер, который выполнен с возможностью выборочного включения и выключения каждого из множества источников 21, 22, 23, 24, 25 света. Путем примера, со ссылкой на вариант, показанный на Фиг. 1, источники 21, 22 и 23 света включены, а источники 24 и 25 выключены, что приводит к другой форме пучка, чем в другом случае, т.е. когда светоизлучающие диоды 21, 22 и 23 выключены, а 24 и 25 включены. Форма пучка, получаемая с помощью второго оптического элемента 92, будет такой же, но выравнивание света с помощью первого оптического элемента 91 в этом примере, отличается, так как расстояние между первым оптическим элементом 91 и источниками света, которые включены, отличается от расстояния между первым оптическим элементом 91 и источниками света, которые выключены.
Пространство между первым оптическим элементом, и при наличии третьим оптическим элементом, и источниками света может быть заполнено материалом, такими как подходящий полимер или жидкость, вместо воздуха, как в вышеописанных вариантах.
Более того, может быть обеспечен элемент радиатора или элемент активного охлаждения, такой как охлаждающий вентилятор, причем охлаждающий элемент направлен на световод. Использование элемента активного охлаждения обеспечивает исключение или минимизацию элемента радиатора или другого теплоотведения световода и улучшенное выведение и/или выравнивание света.
Пример
Далее на фиг. 11 будет описан пример применения светоизлучающего устройства согласно варианту осуществления изобретения в адаптивной системе автомобильных фар. Фиг. 11 показывает транспортное средство 10000, освещающее дорогу 10100. Как показано на Фиг. 11, фара транспортного средства 10000 выполнена с возможностью освещения дороги 10100 в конфигурации 10200 светового пучка на автомобильной дороге. Конфигурация 10200 светового пучка на автомобильной дороге в вариантах осуществления используется при перемещении в транспортном средстве 10000 по дороге 10100, которая, например, представляет собой автомобильную дорогу, на относительно высокой скорости. В этом случае оптическая ось света, излучаемая от системы фар транспортного средства 10000, по существу параллельна дороге 10100. Конфигурация 10200 светового пучка на автомобильной дороге образована вторым сформированным светом 82, излучаемым светоизлучающим устройством согласно изобретению.
Так как светоизлучающее устройство согласно изобретению также излучает первый сформированный свет 81, как описано выше, возможно получать вторую конфигурацию светового пучка посредством первого сформированного света 81 одновременно с первой конфигурацией светового пучка, образованной вторым сформированным светом 82.
Такая вторая конфигурация светового пучка может быть образована согласно потребностям и обстоятельствам. Например, при перемещении по пересеченной местности предпочтительно наклонять оптическую ось фары транспортного средства 10000 вниз по направлению к дороге 10100, тем самым получая конфигурацию 10300 светового пучка на пересеченной местности, которая, как показано на Фиг. 11, образована первым сформированным светом 81, излучаемым светоизлучающим устройством согласно изобретению. Конфигурация 10300 светового пучка на пересеченной местности будет предотвращать ослепление встречных транспортных средств и используется при перемещении на средней скорости. В этом случае наклон оптической оси фары может, например, быть получен путем использования светоизлучающего устройства 104 согласно варианту осуществления, показанному на Фиг. 6, в котором третий оптический элемент 93 представляет собой подходящую линзу, обеспечивающую наклон.
Альтернативно вторая конфигурация светового пучка может быть адаптирована для условий освещения в городе (не показано), при которых оптическая ось фары транспортного средства 10000 будет наклонена дополнительно вниз, и излучаемый свет будет тем самым расширен. Такая конфигурация светового пучка в городе используется при перемещении на относительно низкой скорости. Конфигурация светового пучка в городе будет улучшать освещение обочин дороги 10100, повышая безопасность движения в отношении, например, пешеходов и велосипедистов, движущихся по боковой стороне дороги 10100.
Очевидно, светоизлучающее устройство согласно изобретению, используемое в области автомобильного освещения, также может быть выполнено с возможностью обеспечения других сочетаний конфигураций пучка и/или обеспечения всех трех вышеупомянутых конфигураций пучка одновременно и/или регулировки распределения цвета конфигураций пучка согласно потребностям. Более того, возможно обеспечение светоизлучающего устройства согласно варианту осуществления изобретения, используемого в области автомобильного освещения, контроллером, выполненным с возможностью выборочного включения и/или выключения одной или более таких конфигураций светового пучка.
Как видно из вышеизложенного, в областях применения, таких как автомобильное освещение, необходимо сложное распределение света. Например, по причинам комфорта и безопасности в прямом направлении вперед транспортного средства свет является белым для хорошей видимости, влево (или вправо) - более желтым для исключения ослепления водителей, а вправо (или влево) - более синим для того, чтобы улучшать видимость дорожных знаков. Таким образом, в таких вариантах осуществления устройство управления выполнено с возможностью управления цветом света, излучаемого светоизлучающим устройством, в зависимости от направления излучения. Специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничено описанными выше вариантами осуществления. Наоборот, многие преобразования и изменения являются возможными в пределах объема охраны приложенной формулы изобретения.
Дополнительно изменения раскрытых вариантов осуществления могут быть понятны и выполнены специалистом в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы. Сам по себе тот факт, что определенные измерения перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не обозначает, что сочетание этих измерений не может быть использовано для преимущества.