ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ОРГАНИЧЕСКИМИ СВЕТОДИОДАМИ
LIGHTING DEVICE WITH ORGANIC LIGHT DIODES

Изобретение относится к осветительному устройству с излучателем света, содержащим элементы, по меньшей мере, двух различных основных цветов.
WO 03/073525 A1 раскрывает осветительное устройство, содержащее набор OLEDs с параболическими отражателями или микролинзами в качестве выходных элементов перед ними.
WO 2005/022030 A раскрывает осветительное устройство с множеством различных твердотельных LEDs, расположенных в цилиндрическом отражателе, имеющем многоугольное сечение.
Из US 2002/0080622 A1 известно осветительное устройство, которое содержит набор отдельных светоизлучающих диодов (LEDs) различных основных цветов, которые выполнены у основания сужающегося цилиндрического отражателя. Отражатель и некоторая опциональная первичная оптическая система смешивают цвета LEDs и производят направленный, более или менее узкий световой пучок. Цветовые характеристики таких осветительных устройств, тем не менее, показывают относительно большие отклонения поперек светового луча.
Основываясь на этой ситуации, задачей настоящего изобретения было обеспечение улучшенного осветительного устройства с более высокой однородностью распределения цвета.
Эта задача достигается с помощью осветительного устройства по п.1 или 2 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Устройство освещения по настоящему изобретению содержит следующие компоненты:
- Излучатель света, содержащий органические светодиоды (OLEDs), по меньшей мере, двух различных основных цветов, т.е. с двумя различными спектрами излучения. OLEDs обычно состоят из одного или более органических слоев, из которых, по меньшей мере, один может излучать свет, вставленных между электродами на подложках (например, Shinar, Joseph (под ред.), “Органические Светодиоды: Обзор”, NY: Springer-Verlag (2004); Klaus Muellen, Ullrich Scherf (под ред.), “Органические Светодиоды: Синтез, Свойства и Применение”, John Wiley & Sons (2006)). Следует заметить, что необязательно, чтобы, по меньшей мере, два цвета исходили от физически независимых OLEDs, также они могут возникать в различных областях с различным излучением одного OLED, т.е. одной подложки, но различных штабелей в различных областях.
- Первичную оптическую систему для коллимации и смешения света, излученного вышеупомянутым излучателем света. Первичная оптическая система обычно расположена в непосредственной близости от излучателя света для захвата максимального количества излученного света.
- Сужающийся цилиндрический отражатель, диаметр которого увеличивается от узкого конца к широкому концу отражателя, причем узкий конец отражателя расположен рядом с первичной оптической системой. Центральная ось трубки отражателя обычно является также оптической осью осветительного устройства, вдоль которой имеет место основное излучение света. Кроме того, осветительное устройство обычно симметрично по отношению к этой оси отражателя, в частности симметрично по отношению к вращениям вокруг оси отражателя с шагом, равным целым частям от 360°.
С помощью осветительного устройства вышеупомянутого типа возможно достижение превосходного смешения цветов и направления светового луча в требуемом направлении. Устройство, следовательно, решает одну из основных проблем при использовании OLEDs для общего освещения, т.е. ненаправленного излучения света согласно излучению Ламберта с поверхности излучения. Эта проблема ранее препятствовала эффективному использованию OLEDs для многих приложений, таких как местное освещение (освещение точечным источником света, настольное освещение, рабочее освещение и т.д.). Второй проблемой OLEDs для общего освещения является смешение цветов. Одной ранее известной возможностью в этом отношении было создание узорчатой лампы с красными, зелеными и синими монохромными OLEDs, расположенными сбоку. Тем не менее, эффективное смешение цветов накладывает ограничения на размеры 'узора' и вместе с тем на сложность задней панели. Хотя возможно также уложение монохромных OLEDs в штабели, это неэффективно экономически. Осветительное устройство, предложенное настоящим изобретением, решает также эту вторую проблему благодаря превосходному смешению цветов, которое может быть достигнуто с его помощью.
Хотя излучатель света может в принципе содержать только два OLEDs двух различных цветов, можно получить больший интервал цветов, если излучатель света содержит три или более OLEDs различных цветов. Если цвета различных OLEDs существенно различаются (например, имеют максимум излучения в красном, зеленом и синем диапазоне), большая цветовая гамма может быть достигнута уже при трех OLEDs.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения излучатель света в своем центре содержит синий OLED. На практике оказывается, что меньшей площади поверхности синего OLED (по сравнению с красным и зеленым) часто достаточно для смешения белого света многих различных цветовых температур.
Конкретным преимуществом излучателя света, состоящего из OLEDs, является то, что его диаметр может быть в принципе сделан настолько большим, насколько требуется (причем диаметр излучателя света произвольной формы определяется диаметром наибольшего круга, который может быть полностью вписан в площадь излучателя света), в частности, больше 1 миллиметра.
В одном конкретном варианте осуществления изобретения излучатель света охватывает круговую зону, причем упомянутая зона предпочтительно проходит перпендикулярно оси отражателя, а ее центр лежит на упомянутой оси. Благодаря своей симметрии круговая зона излучателя света обеспечивает оптимальные условия для симметрии вращения производимого светового луча.
В вышеупомянутом случае излучатель света может предпочтительно дополнительно содержать концентрические кольца из OLEDs различных цветов. Такие концентрические кольца оптимальным образом сохраняют симметрию излучателя света. Диаметр колец может быть настроен в зависимости от требуемого вклада мощности каждого света.
Круговой излучатель света может также содержать секторы OLEDs, имеющих различные цвета. Различные цвета предпочтительно могут быть выполнены в периодической последовательности вдоль окружной поверхности излучателя света. Излучатель света, который периодически состоит из различных секторов, имеет предпочтительную дискретную симметрию вращения.
Возможно необязательное объединение двух вышеупомянутых конструкций, например, возможен излучатель света, имеющий кольца секторов OLED различных цветов.
Первичная оптическая система, которая используется для улучшения выделения света и/или коллимации, может быть реализована несколькими различными способами. Предпочтительно, она содержит коллиматор или линзу, в частности, полусферическую линзу.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения форма сечения отражателя вдоль всей его оси является правильным многоугольником (упомянутое сечение берут перпендикулярно оси), предпочтительно многоугольником с, по меньшей мере, пятью углами, наиболее предпочтительно, шестиугольником.
Кроме того, отражатель предпочтительно может состоять из плоских граней.
Вышеупомянутые грани необязательно выполнены кольцами или “поясами” вокруг оси отражателя, причем края соседних поясов накладываются друг с другом. Количество поясов, выполненных на одной линии, предпочтительно лежит в интервале от четырех до десяти.
Высота вышеупомянутых поясов (измеряемая в направлении оси отражателя) предпочтительно увеличивается от узкого конца к широкому концу отражателя. Если, например, имеют место шесть поясов, отношения их высот могут быть такими как 0,19:1,11:2,55:4,99:9,43:40:78.
Каждая грань отражателя составляет определенный угол с осью отражателя, причем упомянутый угол предпочтительно лежит в интервале от 10° до 60°. Следует заметить, что все грани в одном вышеупомянутом поясе составляют одинаковый угол с осью отражателя.
Углы между гранями отражателя и осью отражателя предпочтительно уменьшаются от узкого конца к широкому концу отражателя. Отражатель, следовательно, имеет вид параболической формы в плоскости, которая содержит ось отражателя.
Согласно другому варианту осществления изобретения излучатель света предпочтительно вставлен в инкапсулирующий материал. Такой материал механически защищает OLEDs излучателя света и помогает собирать весь излученный свет. Инкапсулирующим материалом может быть, например, эпоксидный клей, силикон и/или любой другой достаточно стабильный термический материал с высокой степенью прозрачности.
Осветительное устройство предпочтительно дополнительно содержит контроллер, который может выборочно управлять различными цветами излучателя света, чтобы допустить настройку цветовой точки или цветовой температуры полного излучения. Контроллер может быть реализован независимыми управляющими устройствами, а также единственным управляющим устройством, которое может, например, прикладывать различное напряжение к различным панелям излучателей света/OLEDs. Контроллер может, например, управлять амплитудой прикладываемого смещения, а также длительностью импульса прикладываемого импульсного смещения в зависимости от того, чувствительна ли цветовая точка элемента OLED к изменению напряжения.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны из описанного далее варианта осуществления (вариантов) и объяснены со ссылкой на него. Эти варианты осуществления будут описаны в качестве примера с помощью сопроводительных чертежей, на которых:
фиг.1 показывает сечение вдоль оптической оси через осветительное устройство по настоящему изобретению, причем упомянутое осветительное устройство имеет коллиматор;
фиг.2 показывает сечение вдоль оптической оси через другое осветительное устройство по настоящему изобретению, причем упомянутое осветительное устройство имеет линзу;
фиг.3 показывает вид сверху осветительного устройства по Фиг.2;
фиг.4-6 показывают различные варианты осуществления излучателя света для осветительного устройства;
фиг.7 показывает угловое распределение трех различных основных цветов для осветительного устройства по настоящему изобретению;
фиг.8 показывает распределение цветовых отклонений в плоскости, перпендикулярной оптической оси осветительного устройства по настоящему изобретению;
фиг.9 показывает распределение цветовых отклонений в плоскости, перпендикулярной оптической оси осветительного устройства с неорганическими OLEDs.
Одинаковые ссылочные позиции на фигурах относятся к идентичным или подобным компонентам.
Органические светодиоды (OLEDs) являются идеальными источниками света для осветительных панелей, используемых для освещения, с большой поверхностью. Критическими проблемами при применении OLEDs для общего освещения являются, тем не менее, ненаправленный световой выход (т.е. их рассеянный свет) и проблема смешения цветов. Далее предложено осветительное устройство, основанное на OLEDs, с высокой яркостью, настраиваемым цветом, превосходным смешением цветов (по сравнению с неорганическими светодиодами) и с направленным световым выходом, которое может быть использовано для многих приложений, таких как общее и местное освещение. Предложенное осветительное устройство использует двухмерные конфигурации OLED, например кольца OLED вместе с коллиматором или линзой или/и отражателем для получения приемлемого светового распределения с превосходным смешением цветов.
Фиг.1 показывает первый вариант осуществления такого осветительного устройства 10 в разрезе вдоль его оптической оси А. Осветительное устройство 10 содержит три основные компоненты:
- Излучатель 1 света, который состоит из OLEDs различных основных цветов (возможные конфигурации см. на фиг.4-6).
- Первичная оптическая система, которая реализована в осветительном устройстве 10 диэлектрическим коллиматором 13, расположенным на подоснове 11. Диэлектрическим коллиматором является коллиматор, выполненный из диэлектрического материала, например полиметилметакрилата (РММА) или поликарбоната.
- Отражатель 14, внутренняя поверхность которого, например, является зеркальной и который имеет общую форму трубки, расширяющейся (дегрессивным образом) с увеличением расстояния от первичной оптической системы 13 и излучателя 1 света.
j
j
j
0
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
0
Упомянутые компоненты осветительного устройства 10 центрированы относительно оптической оси А устройства. Полость, которая может оставаться между излучателем 1 света и первичной оптической системой 13, опционально заполняется инкапсулирующим материалом 12. Кроме того, отражатель 14 состоит из плоских трапециевидных граней 15, причем восемь граней (если сечение, перпендикулярное оси А, является восьмиугольным; если сечение является шестиугольным, количество граней было бы равно шести) идентичной формы выполнены в каждом из шести поясов, причем упомянутые пояса выполнены один за другим вдоль оптической оси А. Грани 15 каждого пояса j (j=1, 2, … 6) ориентированы под одинаковым углом α по отношению к оптической оси А. Как показано на фиг.1, геометрия граней 15 может быть единственным образом описана высотой h их верхнего края, измеренной от подосновы 11 в направлении оптической оси А, и расстоянием r их верхнего края до оси А. Например, предпочтительными геометрическими параметрами отражателя являются: r=3,24 мм, r=3,51 мм, r=4,52 мм, r=5,71 мм, r=7,32 мм, r=9,59 мм, r=19,02 мм и h=0,19 мм, h=1,11 мм, h=2,55 мм, h=4,99 мм, h=9,43 мм, h=40,78 мм, где r является расстоянием нижнего края пояса 1 от оптической оси А.
Фиг.2 показывает второй вариант осуществления осветительного устройства 20 по настоящему изобретению, причем компоненты, идентичные компонентам на фиг.1, имеют одинаковые ссылочные позиции, увеличенные на 10 (т.е. осветительное устройство 20 содержит OLEDs 1, подоснову 21, инкапсуляцию 22, первичную оптическую систему 23, отражатель 24 и грани 25). Отличие осветительного устройства 20 от осветительного устройства 10 по фиг.1 в том, что первичная оптическая система состоит из линзы, предпочтительно полусферической линзы 23, вместо коллиматора. Фиг.3 показывает вид сверху этой линзы 23 (к переносу, стрелка III на фиг.2) осветительного устройства 20.
В двух вариантах осуществления осветительного устройства 10, 20, показанных на фиг.от 1 до 3, свет от OLEDs сначала “коллимируется” и смешивается первичной оптической системой (коллиматором/линзой). Затем свет дополнительно коллимируется и смешивается вторичной оптической системой (отражателем), которая спроектирована исключительно для получения лучшего смешения цветов в угловом распределении.
Фиг.4-6 иллюстрирует возможные конфигурации OLED трех различных излучателей 1, 2 и 3 света, которые могут быть использованы в осветительных устройствах 10, 20. В первом варианте осуществления излучателя 1 света, показанном на фиг.4, излучатель 1 света состоит из концентрических колец OLED R, G, B монохроматических цветов или/и белых цветов с различными цветовыми температурами. Так как для смешения цветов (получения белых цветов с различными цветовыми температурами) требуется относительно меньше синего цвета (соответствующего маленькой площади поверхности OLED здесь), можно поместить синий OLED в середину других цветов для получения хорошего смешения цветов.
Фиг.5 иллюстрирует альтернативный излучатель 2 света, который состоит из секторов OLEDs различных цветов, причем красный, зеленый и синий цвета занимают различные площади R, G, B. Кроме того, основные цвета выполнены в периодической последовательности R-G-B-R-G-B и т.д.
Фиг.6 показывает третью конфигурацию излучателя 3 света, причем два основных цвета (красный и зеленый) выполнены в секторах R, G как на фиг.5, и причем один цвет (синий) расположен в центре B излучателя 3 света.
Если излучатель 1 света на фиг.4 используется в осветительном устройстве 20 по фиг.2, генерируется распределение точечного освещения с 2x15 градусами. Выходные распределения синего, зеленого и красного света для упомянутого осветительного устройства показаны на фиг.7 (вертикальная ось: световой поток на пространственный угол; горизонтальная ось: угол относительно оптической оси А).
Осветительные устройства согласно настоящему изобретению достигают превосходного смешения цветов. Одной возможной характеристикой качества смешения цветов является значение Δu'v' (CIE-1976, координаты Универсальной Хроматической Шкалы). Распределение Δu'v' комбинации линза-отражатель (фиг.1) показано на фиг.8. Большая часть распределения Δu'v' меньше, чем 0,002. Это означает, человеческий глаз почти не воспринимает цветовой контраст. Только в небольшой зоне вблизи края Δu'v' находится в интервале 0,003-0,004, что намного лучше Δu'v' при использовании неорганических светодиодов.
Распределение Δu'v' для LED-микросхем, основанных на такой же оптической системе, как на фиг.8, показано на фиг.9. Так как конфигурация OLED является намного более гибкой, чем конфигурация неорганических LEDs, смешение цветов намного лучше при использовании OLED в качестве источника света, чем при использовании неорганических светодиодов.
В заключение, необходимо обратить внимание, что в настоящем приложении термин “содержащий” не исключает других элементов или этапов, что использование элементов в единственном числе не исключает их использование во множественном числе и что единственный процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких средств. Изобретению присущи все до единого новые характеристические признаки и все до единой комбинации характеристических признаков. Кроме того, ссылочные позиции в формуле изобретения не следует истолковывать как ограничение ее объема.