ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
ILLUMINATION DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к осветительным устройствам, предназначенным для освещения поверхности, со светоизлучающим элементом и с освещающим элементом, в которых светоизлучающий элемент излучает искусственный свет, опорный элемент содержит светоизлучающим элемент и поддерживает освещающий элемент, а освещающий элемент выполнен из прозрачного светопроводящего материала и обычно накрывает освещаемую поверхность.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В публикации US 6961403 В2 описано устройство, предназначенное для освещения, главным образом, плоской поверхности, которое содержит работающий от батарейки питания источник света, заключенный в корпус, к которому прикреплен прозрачный светопроводящий освещающий элемент. Устройство может быть расположено таким образом, чтобы освещающий элемент находился над книгой или над какими-либо другими плоскими поверхностями, для их просмотра в освещенном виде через прозрачный освещающий элемент. Освещающий элемент имеет сужающуюся клинообразную форму для отклонения проводимого света в направлении расположенной снизу поверхности. К сожалению, описанное устройство малоудобно для чтения книг, поверхность страниц которых, обычно, не является ровной. Сочетание неровной поверхности чтения с сужающимся освещающим элементом дает деформированное изображение освещенной страницы. Кроме того, страница не освещена оптимально, что либо приводит к уменьшению удобства чтения, либо к увеличению потребляемой устройством мощности. Далее, это устройство представляет собой относительно толстый световод клинообразной формы, в котором его толщина является причиной относительно большого веса, что делает его менее удобным для использования. Наконец, толщина световода является причиной его относительно высокой механической жесткости, что затрудняет изгибание устройства над неровной поверхностью чтения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, настоящее изобретение имеет своей задачей устранение вышеуказанных недостатков. В частности, задачей настоящего изобретения является создание эффективного и дешевого осветительного устройства, которое дает приятный уровень светового потока и направляет излучаемый искусственный свет на освещаемую поверхность.
Данная задача достигается осветительным устройством для освещения поверхности со светоизлучающим элементом и освещающим элементом, в котором светоизлучающий элемент испускает искусственный свет, опорный элемент содержит светоизлучающий элемент и поддерживает освещающий элемент, а освещающий элемент выполнен из прозрачного светопроводящего материала, пригодного для освещения расположенной снизу поверхности, отличающимся тем, что осветительное устройство содержит светонаправляющий слой, сконфигурированный с возможностью восприятия и отклонения искусственного света от светоизлучающего элемента в направлении поверхности. Предпочтительные варианты исполнения настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В описании изобретения раскрывается, что осветительное устройство содержит светонаправляющий слой, сконфигурированный с возможностью восприятия и отклонения искусственного света от светоизлучающего элемента на поверхность.
В предпочтительном варианте исполнения светонаправляющий слой является прозрачным для искусственного света, отраженного поверхностью. Кроме того, светонаправляющий слой может быть прозрачным для окружающего света, падающего на этот светонаправляющий слой. Эти критерии являются важными, если осветительное устройство используется для чтения, то есть для освещения книжных страниц. Если для чтения, например книги, используется обычный источник света, он может мешать другим людям, особенно если он включен в спальне. Во избежание создания неудобств для других людей в качестве источника света для чтения может быть использовано описанное в настоящем изобретении осветительное устройство. В этом варианте исполнения важно, что излучаемый искусственный свет освещает только страницу книги, а не окружающее пространство. Таким образом, светоизлучающий элемент должен быть закреплен на одной из боковых сторон освещающего элемента. Свет, испущенный в одну из боковых сторон, должен быть отклонен таким образом, чтобы максимальное его количество прошло сквозь нижнюю сторону освещающего элемента, находящегося над листом, то есть над книгой. Поэтому светонаправляющий слой, который отклоняет искусственный свет, должен быть прозрачным для света, отраженного поверхностью листа, чтобы покрытый освещающим элементом текст был освещен и легко виден читающим человеком.
В предпочтительном варианте исполнения светоизлучающий элемент расположен на одной из боковых сторон освещающего элемента. Последний освещающий элемент может иметь удлиненную форму, он испускает свет главным образом через верхнюю или нижнюю поверхности. Поскольку искусственный свет вводится в одну из боковых сторон, светонаправляющий слой должен быть расположен напротив той поверхности, через которую искусственный свет должен выходить из осветительного устройства. Если, например, искусственный свет должен выходить из осветительного устройства через его нижнюю сторону, то светонаправляющий слой, предпочтительно, должен закрывать верхнюю сторону осветительного устройства. Поскольку искусственный свет, испускаемый в осветительное устройство, имеет расходимость, то он либо сразу же выходит из осветительного устройства через его нижнюю, верхнюю или боковые стороны, либо попадает в светонаправляющий слой, которым он отклоняется и выходит из осветительного устройства главным образом через его нижнюю или верхнюю сторону.
Для достижения задачи изобретения светонаправляющий слой должен иметь такую поверхностную структуру, которая увеличивает количество света, отклоняемого в направлении освещаемой поверхности. Это может быть достигнуто либо тем, что поверхностная структура покрывает одну из поверхностей освещающего элемента, либо созданием такой поверхностной структуры в самом освещающем элементе. Далее, эта поверхностная структура может иметь сечение, представляющее собой упорядоченную последовательность небольших треугольников, трапеций или параллелограммов. Лучи света, которые падают на такую поверхностную структуру под малым углом, отражаются от границы раздела между освещающим элементом и окружающим воздухом назад в освещающий элемент и затем - на освещаемую поверхность. Поверхностная структура может быть однородной по всей поверхности освещающего элемента. В другом предпочтительном варианте исполнения вид поверхностной структуры может изменяться в направлении главной оси распространения света внутри освещающего элемента.
Еще в одном предпочтительном варианте исполнения поверхностная структура образована набором отклоняющих элементов, установленных последовательно один за другим, и покрывающих одну из поверхностей освещающего элемента. Каждый из отклоняющих элементов может иметь профиль, подобный форме зуба пильного полотна, со спуском вниз - по мере удаления от светоизлучающего элемента - до точки, в которой профиль идет резко вверх. Каждый из отклоняющих элементов может иметь ширину от 10 микрометров до 10 миллиметров, предпочтительно, от 30 мкм до 3 мм, а еще лучше - от 100 мкм до 1 мм. Угол между освещающим элементом и идущей вниз стороной профиля отклоняющего элемента может быть равен от 0,1 до 5º, предпочтительно, от 0,2 до 3º, а еще лучше - от 0,25 до 2º. Кроме того, этот угол может изменяться в зависимости от расстояния до светоизлучающего элемента, который расположен на одной из сторон освещающего элемента. В качестве светоизлучающего элемента, предпочтительно, могут быть следующие элементы: светодиод, органический светодиод, лампа накаливания или флуоресцентная лампа. В зависимости от характера использования осветительного устройства в нем может быть установлен как один, так и несколько светоизлучающих элементов. Светоизлучающий диод (светодиод) представляет собой полупроводниковое устройство, которое при приложении к нему положительного электрического смещения излучает некогерентный свет узкого спектрального состава (обычно порядка 10-20 нм). Цвет испускаемого света зависит от состава и характеристик используемого полупроводникового материала. Более того, могут быть использованы светодиоды, покрытые фосфором. В этом случае фосфор влияет и на цвет испускаемого света. Применяемые также органические светодиоды являются светодиодами специального типа, в которых эмиссионный слой содержит тонкую пленку из определенных органических компонентов. Преимуществом органических светодиодов является то, что они представляют собой высокоэффективный однородный источник света большой площади с потенциально низкой стоимостью. Для испускания света в органических светодиодах используется ток, протекающий через тонкую пленку из органического материала. Цвет испускаемого света, а также эффективность преобразования энергии электрического тока в световую определяется составом материала тонкой органической пленки. Цвет света, испускаемого светоизлучающим элементом, может быть "холодно белым" (белый цвет с большим содержанием синего, в отличие от "теплого белого"), но некоторые из светоизлучающих элементов - в случае присутствия множества светоизлучающих элементов - испускают голубой свет или излучение ближнего УФ-диапазона, для того чтобы "взбодрить" пользователя или не дать ему уснуть.
Органические светодиоды в качестве несущего слоя содержат подложку, которая может быть выполнена из стекла или из какого-либо органического материала. На этот несущий слой обычно наносится тонкий слой прозрачной окиси индия, легированного оловом, тем самым, формируется анод. Далее, органические светоизлучающие диоды содержат, по крайней мере, один очень тонкий слой органических веществ толщиной примерно 5-500 нм. Органический светодиод всегда завершается слоем алюминия, образовывающего катод, при этом толщина слоя алюминия составляет примерно 100 нм, то есть подобна толщине слоя "окись индия - олово". Алюминий такой толщины "работает" как зеркало, так что излучение идет только через прозрачный анод "окись индия - олово" и через прозрачную подложку. Подбором прозрачного катода можно добиться выхода излучения и через катод. Таким образом, в предпочтительном варианте исполнения освещающий элемент содержит органический светодиод. Другими словами, в этом случае освещающий элемент содержит светоизлучающий элемент. Предварительным условием для такого варианта исполнения является то, что органический светодиод должен иметь катод, который должен быть прозрачным, чтобы пользователь мог видеть освещенную поверхность через освещающий элемент. С использованием светонаправляющего слоя искусственный свет со случайной направленностью, генерируемый внутри органического светодиода, отклоняется на освещаемую поверхность.
2
2
2
В предпочтительном варианте исполнения настоящего изобретения освещающий элемент покрывает площадь, составляющую максимально 300 см, предпочтительно, менее чем 100 см, и лучше всего - менее 10 см. Если осветительное устройство используется в качестве осветительного прибора для чтения, то оно должно быть небольшим и легким, чтобы им можно было легко пользоваться. С этой целью в нем, предпочтительно, может использоваться только один светодиод в комбинации с освещающим элементом и светонаправляющим слоем. Для достижения комфортного уровня освещения освещенная площадь должна быть небольшой. Как показали исследования в области восприятий, освещенная площадь размером 1 см × 5 см уже является удобной для чтения. Таким образом, светодиоды с потреблением мощности менее чем 50 мВт, а предпочтительно, менее чем 50 мВт, достаточны для достижения уровня освещенности, предпочтительно, в 25-2000 лк, более предпочтительно, в 50-250 лк, а наиболее предпочтительно, - более 75 лк.
Предпочтительно также, чтобы осветительное устройство содержало "солнечный фотоэлемент", преобразовывающий фотоны солнечного света в электричество. Солнечный фотоэлемент может быть установлен на опорном элементе, чтобы вырабатывать электричество для питания светоизлучающего элемента. Для накопления электричества осветительное устройство может содержать также батарейку, предпочтительно, перезаряжаемую батарейку питания. В настоящем изобретении раскрывается исполнение светодиодной лампы, работающей от солнечного света, которая в течение дня заряжается энергией, и может использоваться в ночное время для чтения в темноте. Кроме того, солнечный фотоэлемент может покрывать освещающий элемент или светонаправляющий слой, по крайней мере, частично. Для такого варианта исполнения настоящего изобретения следует использовать прозрачный солнечный фотоэлемент, подобный ячейке Гретцеля (Graetzel), с тем, чтобы солнечный фотоэлемент не ослаблял световой поток, отражаемый освещенной поверхностью.
В предпочтительном варианте исполнения настоящего изобретения освещающий элемент и/или светонаправляющий слой выполнены из органического материала и/или полимера, предпочтительно, чтобы освещающий элемент и/или светонаправляющий слой были выполнены из одного из следующих материалов: полиэтилена, полиамида, полипропилена, полиэстера, полиметилметакрилата (ПММА) или поликарбоната. Использование полимерных пластин для освещающего элемента оказалось предпочтительным. Вышеуказанные материалы имеют малое поглощение светового потока, идущего от светоизлучающего элемента. Так что можно использовать тонкий освещающий элемент, в результате чего получится легкое осветительное устройство. Кроме того, в результате достигнутого таким образом уменьшения механической жесткости, данное устройство можно изгибать над неровной поверхностью чтения. Далее, полимерные освещающие элементы легко могут быть легированы люминесцентными материалами. Эти люминесцентные материалы могут, с одной стороны, увеличивать рассеяние света, а с другой стороны - могут вызывать смещение длины волны света. С помощью использования соответствующего люминесцентного материала свет от дешевых и эффективных синих светодиодов может быть преобразован частично в желтый, что в результате даст белый свет, наиболее приемлемый для чтения. Комбинацией поглощения, вторичного излучения и дополнительного рассеяния люминесцентный материал увеличивает количество света, направленного на поверхность.
2
2
x
Для защиты освещающего элемента или светонаправляющего слоя от воздействия окружающей среды в следующем в варианте исполнения настоящего изобретения описывается защитный слой. Этот последний слой может покрывать освещающий элемент полностью или только часть его, как светонаправляющий слой. Защитный слой может включать в себя SiO, HfO или SiN. Эти материалы известны своей «сопротивляемостью» к появлению царапин, а также устойчивостью к воздействию таких факторов окружающей среды, как влажность. Это особенно важно, поскольку некоторые полимеры подвержены гидролизу, то есть осветительное устройство без защитного слоя под воздействием факторов окружающей среды может быстро состариться.
Если светоизлучающий элемент является точечным, как светодиод, не занимающим всю боковую сторону, то непосредственно вокруг светоизлучающего элемента могут появиться темные области. Они возникают вследствие того, что светоизлучающий элемент испускает в освещающий элемент искусственный свет в виде конуса. Хотя рассеяние и имеет место, область, граничащая с этим конусом света, полностью не светится. Способ решения этой проблемы состоит в размещении светоизлучающего элемента не по центру боковой поверхности освещающего элемента, а в ее углу. Для дальнейшего уменьшения этого эффекта боковая поверхность может быть выполнена наклонной, то есть скошена в виде фаски, на которой и располагается светоизлучающий элемент. Наилучший результат достигается, если фаска имеет угол наклона между 30 и 60º, предпочтительно, между 40 и 50º. Более того, остальные углы освещающего элемента могут быть закруглены для того, чтобы создать более равномерное освещение. Для увеличения выхода света от освещающего элемента предпочтительно, чтобы края освещающего элемента были закрыты отражающими элементами типа зеркал или рассеивающими слоями.
В другом предпочтительном варианте исполнения осветительное устройство имеет модульную конструкцию. Так, например, освещающий элемент может быть снят или повернут на петлевом шарнире, размещен в опорном элементе. В еще одном варианте освещающий элемент после его снятия или свертывания может быть помещен в опорный элемент. Таким образом, те части осветительного устройства, которые не используются, могут быть спрятаны.
В другом варианте исполнения освещающий элемент содержит, далее, люминесцентный материал с целью воздействия на свет, распространяющийся почти параллельно нижней поверхности освещающего элемента. Этот люминесцентный материал будет поглощать определенную часть такого света, а затем - вторично испускать весь поглощенный свет в ином направлении относительно его первоначального направления. В результате через нижнюю поверхность освещающего элемента света исходить будет больше, а через боковые стенки освещающего элемента - меньше.
о
В следующем варианте исполнения люминесцентный материал сосредоточен, по крайней мере, в одной полости, предпочтительно, расположенной рядом с нижней поверхностью освещающего элемента. Здесь будет улавливаться только незначительная часть света, перенаправленного отклоняющими элементами, в то время как бльшая часть света, распространяющегося почти параллельно нижней поверхности освещающего элемента, будет поглощена с последующим вторичным излучением. В наиболее предпочтительном варианте исполнения каждая из этих полостей, кроме того, со стороны светонаправляющего слоя имеет светоотражательный слой, предназначенный для отражения "вторичного" света в направлении нижней поверхности освещающего элемента.
Осветительное устройство, используемое в качестве лампы для чтения, может быть расположено на некотором расстоянии от освещенной поверхности, обычно же это осветительное устройство накладывается на освещаемую поверхность.
Для преобразования осветительного устройства в прибор типа настольной лампы или фонаря в настоящем изобретении раскрывается устройство оптического элемента. Этот оптический элемент использует часть потока искусственного света, не достигающего освещаемой поверхности или не направленного на эту поверхность. Так что оптический элемент представляет собой оптическую систему, построенную с возможностью приема и изменения направления по крайней мере части потока искусственного света, выходящего из освещающего элемента. С этой целью оптический элемент представляет собой оптическую систему, которая может быть образована из одной линзы (одного зеркала) или из множества линз (зеркал). Искусственный свет, выходящий из освещающего элемента через одну из его внешних поверхностей, может обладать диффузным рассеянием. Оптический элемент может отразить и переформировать поток искусственного света и, таким образом, создать не сфокусированный, сфокусированный, расходящийся или параллельный пучок. С помощью оптического элемента описанное здесь осветительное устройство может использоваться не только как осветительное устройство для чтения, но и как прибор, подобный настольной лампе, с оптическим элементом в виде отражателя, который может осветить книгу, предпочтительно, не дающий слишком сильно коллимированного светового пятна, или как устройство наподобие фонаря с оптическим элементом в виде конденсора, который, предпочтительно, дает коллимированное световое пятно или параллельный луч света.
В зависимости от характера использования осветительного устройства оптический элемент может быть расположен на различных внешних поверхностях освещающего элемента. Предпочтительно, чтобы оптический элемент был установлен на продольной стороне освещающего элемента, чтобы поток искусственного света, выходящий из этих продольных сторон, можно было переформировать. Поскольку искусственный свет, выходящий из освещающего элемента через нижнюю сторону, может иметь лишь небольшой угол отклонения относительно устройства освещения, возможно также, чтобы оптический элемент собирал части светового потока и изменял их форму. Поэтому оптический элемент может иметь размер, больший, чем высота освещающего элемента.
В другом предпочтительном варианте исполнения настоящего изобретения оптический элемент устанавливается на освещающий элемент обратимым образом. Это позволяет использовать его в двух назначениях. С одной стороны, этим осветительным устройством можно пользоваться как лампой для чтения или как прибором, подобным настольной лампе, когда оно освещает страницу книги. С другой стороны, оптический элемент можно установить на освещающем элементе таким образом, чтобы получился прибор, подобный фонарю, которым можно было бы осветить любое место окружающего пространства. Предпочтительно, чтобы оптический элемент имел при этом защелкивающий элемент, который являлся бы ответной частью для второго защелкивающего элемента, установленного в освещающем элементе с целью крепления на этом освещающем элементе оптического элемента. С использованием двух указанных защелок оптический элемент можно очень легко устанавливать на освещающем элементе. Пользователь может устанавливать этот оптический элемент или снимать его без необходимости применения какого-либо инструмента или другого устройства.
В другом предпочтительном варианте исполнения настоящего изобретения оптический элемент имеет сменные объективы. С помощью сменных объективов можно производить прием и изменение направления по крайней мере части потока искусственного света. То есть становится возможным формировать поток искусственного света различным образом. При необходимости его можно сфокусировать в световое пятно, а можно использовать для освещения большей площади, сделать параллельным. Сменные объективы, предпочтительно, выполняются на основе ЖК (жидкокристаллических) структур.
В другом варианте исполнения изобретения с оптическим элементом в качестве отражательного элемента, отражательный элемент установлен на освещающем элементе подвижно с возможностью изменения направления изменяемой части потока искусственного света, выходящего из освещающего элемента, на объект. Таким подвижным креплением может быть петлевой или шарнирный разъем, гибкий стержень, защелка или какое-либо иное устройство, известное лицам, сведущим в данной области, установленное между освещающим и отражательным элементами, или между указанной защелкой и отражательным элементом.
В предпочтительном варианте исполнения отражательный элемент, далее, содержит зеркальный элемент, покрывающий светонаправляющий слой. И здесь, также, свет, выходящий из освещающего элемента через поверхность светонаправляющего слоя, противоположную стороне, направленной в сторону освещаемого объекта, будет направлен в сторону объекта или в сторону отражательного элемента, увеличивая яркость света, освещающего этот объект. Зеркальный элемент может быть установлен на опорном элементе, освещающем элементе или на отражательном элементе. Зеркальный элемент может быть укреплен на отражательном элементе или на опорном элементе обратимым образом, или же - как часть отражательного элемента - закреплен обратимым образом на осветительном устройстве вместе с самим отражательным элементом. Зеркальный элемент может быть любым более-менее плоским объектом, по крайней мере, содержащим отражательную поверхность, направленную в сторону светонаправляющего слоя, для отражения света назад в освещающий элемент. Зеркальный элемент может быть расположен либо на некотором расстоянии от освещающего элемента, либо на самом освещающем элементе в непосредственном контакте с ним.
В альтернативном варианте исполнения осветительное устройство представляет собой прибор, подобный фонарю, оптическим элементом в котором является конденсор. В данном случае изменение формы светового потока искусственного света может достигаться конденсором со структурированной поверхностью. Структурированная поверхность может перекрывать большую часть конденсора, особенно те его части, которые не находятся в прямом контакте с освещающим элементом. Поэтому искусственный свет, выходящий из освещающего элемента через его продольную сторону, может проходить непосредственно в конденсор. Этот последний элемент может быть выполнен из светопроводящего материала, чтобы искусственный свет шел в нем без кого-либо ослабления. Светопроводящий материал конденсора может быть таким же, что и материал, используемый для изготовления освещающего элемента. Структурированная поверхность может формировать поток искусственного света в сходящийся или в параллельный пучок. С этой целью структурированная поверхность конденсора может иметь в сечении вид, подобный зубьям пильного полотна со спуском по мере удаления от центра конденсора. Каждый из элементов структурированной поверхности может иметь ширину от 10 мкм до 10 мм, предпочтительно, от 30 мкм до 3 мм, а еще лучше - от 100 мкм до 1 мм. "Формирующий" угол между конденсором и идущей вниз наклонной стороной элемента структурированной поверхности может быть равен от 0,1 до 5º, предпочтительно, от 0,2 до 3º, а еще лучше - от 0,25 до 2º. Эта структурированная поверхность может быть выполнена таким образом, что образует линзу Френеля.
В другом предпочтительном варианте исполнения светоизлучающий элемент содержит переключающее устройство, способное устанавливать светоизлучающий элемент в первый режим с минимальным потреблением электрической энергии (то есть в режиме «лампы для чтения») и во второй режим - с более высоким потреблением электрической энергии (то есть как прибор типа настольной лампы или как фонарь). Соответствующие переключатели известны лицам, сведущим в данной области техники, то есть разбирающихся в электрических переключателях или в интегральных схемах.
Вышеуказанное осветительное устройство, а также его компоненты, заявленные в пунктах формулы изобретения, как и компоненты, используемые в соответствии с настоящим изобретением в описанных вариантах его исполнения, не подпадают под какие-либо исключения в том, что касается их размеров, формы или выбора материалов. Техническая концепция настоящего изобретения такова, что известные в соответствующей области техники критерии отбора могут применяться без каких-либо ограничений. Дополнительные детали, характеристики и преимущества объекта настоящего изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения, а также следующие далее описания соответствующих чертежей, которые приведены лишь в иллюстративных целях, показывают большое разнообразие предпочтительных вариантов исполнения осветительного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах:
Фиг. 1 - показывает первый вариант исполнения осветительного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 2 - показывает в другой проекции осветительное устройство, содержащее опорный элемент и освещающий элемент.
Фиг. 3 - общий вид осветительного устройства.
Фиг. 4 - продольное сечение осветительного устройства, показанного на фиг. 3.
Фиг. 5 - показывает второй вариант исполнения осветительного устройства в соответствии с настоящим изобретением (вид сбоку).
Фиг. 6 - вид сверху осветительного устройства, показанного на фиг. 5.
Фиг. 7 - еще один вариант исполнения осветительного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 8 - следующий вариант исполнения осветительного устройства.
Фиг. 9 - еще один вариант исполнения осветительного устройства со скошенными углами освещающего элемента.
Фиг. 10 - освещающий элемент с полостями, содержащими люминесцентный материал.
Фиг. 11 показывает освещающий элемент с отражательным и зеркальным элементами.
Фиг. 12 - осветительное устройство в исполнении, подобном настольной лампе с двумя различными положениями отражательного элемента, установленного с возможностью регулировки.
Фиг. 13 - различные виды отражательного элемента, показанного на фиг. 11 и 12.
Фиг. 14 - общий вид осветительного устройства в исполнении, подобном фонарю, с конденсором;
Фиг. 15 - вид сбоку на механизм крепления оптического элемента (в данном случае - конденсора) на освещающем элементе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показано осветительное устройство (10), предназначенное для освещения поверхности. Осветительное устройство (10) содержит светоизлучающий элемент (20). Светоизлучающий элемент (20) установлен ниже опорного элемента (40), который удерживает освещающий элемент (30). В показанном исполнении осветительное устройство (10) представляет собой осветительный прибор для чтения, который используется, для освещения, как правило, плоской поверхности, такой, как страница книги, лежащей под освещающим элементом (30). Для уменьшения возможных неудобств, создаваемых при этом для других людей, выход искусственного света (21) за освещаемую поверхность должен быть минимальным. С этой целью освещающий элемент (30) содержит светонаправляющий слой (50), выполненный с возможностью восприятия и отклонения искусственного света (21), идущего от светоизлучающего элемента (20), в направлении поверхности.
Светоизлучающим элементом (20) является светодиод, который "инжектирует" искусственный свет (21) в освещающий элемент (30). Светоизлучающий элемент (20) связан с опорным элементом (40), который может представлять собой печатную плату. Такие печатные платы используются в качестве механического опорного элемента и элемента для электрических соединений электронных компонентов с использованием электропроводящих дорожек, вытравленных в медных слоях, нанесенных на непроводящую подложку. Известно, что такая конструкция является недорогой и высоконадежной. Кроме того, с помощью печатной платы светодиод может быть непосредственно подсоединен к электронными компонентам. Напротив светоизлучающего элемента (20) на опорном элементе (40) расположены привод (62) и батарейка питания (61). Батарейка питания (61), предпочтительно, является перезаряжаемой, она обеспечивает ток, необходимый для работы светоизлучающего элемента (20). Привод (62) может включать в себя контур усиления тока, а также генератор колебаний и цепь управления, дающие на выходе напряжение нужной формы. Контуром генератора колебаний и цепи управления производится настройка амплитуды колебаний, частоты и скважности выходного напряжения.
Для использования осветительного устройства (10) в тех районах Земли, где электричество дорого или труднодоступно, в опорный элемент (40) может быть введен солнечный фотоэлемент (60). Этот солнечный фотоэлемент (60) преобразовывает фотоны солнечного света в электричество, запасаемое в перезаряжаемой батарейке питания (61). Так что, если осветительное устройство (10) в дневное время суток освещается солнцем, то затем осветительное устройство (10) может использоваться ночью. Для получения осветительного устройства (10), которое могло бы освещать нужную поверхность в течение длительного времени, независимо от наличия солнечного фотоэлемента (60), в нем необходимо использовать светоизлучающий элемент (20) с малым потреблением энергии. Подходящими элементами такого рода оказались светодиоды, которые при малом потреблении энергии дают достаточный уровень светового излучения.
Как уже говорилось, целью настоящего изобретения является получение равномерной освещенности на поверхности, расположенной в устройстве показанного исполнения под освещающим элементом (30). Поскольку искусственный свет (21) исходит из одного светоизлучающего элемента (20), расположенного с боковой стороны (36) освещающего элемента (30), этот искусственный свет (21) необходимо отклонить таким образом, чтобы он выходил из освещающего элемента (30) через его нижнюю поверхность (35), как это показано стрелками (21'). С этой целью в верхней части освещающего элемента (30) образован светонаправляющий слой (50). В показанном исполнении светонаправляющий слой (50) и освещающий элемент (30) представляют собой один элемент, выполненный из одного и того же материала.
2
2
2
На фиг. 2 показан вид осветительного устройства (10) сверху. Поверхность, освещаемая осветительным устройством (10), расположена в плоскости чертежа. Несмотря на использование светодиода с потребляемой мощностью менее 10 мВт, уровень освещенности при этом должен достигать не менее 25 лк. Поэтому, желательно, чтобы размер освещающего элемента (30) был ограничен. Предпочтительно, чтобы длина (32) освещающего элемента (30) была между 30 и 150 мм, лучше, если она будет между 30 и 100 мм. Кроме того, ширина (33) освещающего элемента (30) при использовании только одного светодиода должна быть между 5 и 40 мм, лучше, если она будет между 10 и 20 мм. Длина (32) и ширина (33) освещающего элемента (30) должны определить его площадь максимально в 100 см, предпочтительно, менее 50 см, а лучше всего, если она будет менее 10 см. Минимальная высота освещающего элемента (30) определяется размерами используемого светодиода (светодиодов). Использование более одного светодиода для направления в освещающий элемент (30) искусственного света (21) является одним из существенных признаков настоящего изобретения.
Для сокращения количества искусственного света (21), который не отклоняется в направлении поверхности, а рассеивается в окружающее пространство, в описании данного изобретения раскрывается конфигурация светонаправляющего слоя (50). На фиг. 3 и 4 показана конфигурация светонаправляющего слоя (50), приведенная лишь в качестве иллюстрации варианта построения освещающего элемента (30). Искусственный свет (21) направляется в освещающий элемент (30) с левой стороны. Для отклонения искусственного света (21) в направлении поверхности, расположенной под освещающим элементом (30), поверхности светонаправляющего слоя (50) придана особая структура. Эта поверхностная структура представляет собой множество расположенных в последовательном порядке отклоняющих элементов (51). На фиг. 4 показано сечение освещающего элемента (30) в увеличенном виде. Искусственный свет (21) входит в освещающий элемент (30) с левой стороны. Каждый отклоняющий элемент (51) подобен зубу пильного полотна, который в сечении имеет "фланец" (53), резко поднимающийся от освещающего элемента (30). Далее, отклоняющий элемент (51) имеет "лицевую" сторону (52), которая с увеличением расстояния от светоизлучающего элемента (20) опускается вниз. Таким образом сформирована пилообразная структура с зубьями треугольной формы. "Лицевая" сторона (52) идет под углом (54), измеренным относительно продольного направления освещающего элемента (30). В зависимости от длины волны искусственного света (21) и показателя преломления материала, использованного для изготовления освещающего элемента (30), величина угла 54 должна быть между 0,1 и 5º, предпочтительно, между 0,25 и 2º. Поскольку показатель преломления окружающего воздуха отличается от показателя преломления материала освещающего элемента (30), происходит полное внутреннее отражение. Таким образом, искусственный свет (21), дошедший до границы светонаправляющего слоя (50) освещающего элемента (30) с воздухом, отражается и выходит из освещающего элемента (30) главным образом через его нижнюю поверхность (35). Помимо показанной пилообразной структуры, отклоняющий элемент (51) может иметь в поперечном сечении различное множество форм. Важно только, чтобы "лицевая" сторона (52) в направлении светоизлучающего элемента (20) была расположена под углом (54), с тем, чтобы при этом образовалась область зеркального отражения.
На фиг. 5 и 6 показано другое исполнение осветительного устройства (10), в котором имеется перезаряжаемая батарейка (61) в виде таблетки, расположенная внутри опорного элемента (40). Для включения-выключения осветительного устройства (10) на одном конце опорного элемента (40) установлен выключатель (65). Такой вариант исполнения имеет то преимущество, что использование батарейки в виде таблетки уменьшает общую толщину осветительного устройства (10). При этом для включения осветительного устройства (10) выключатель (65) можно нажимать обычным образом. В отличие от осветительного устройства (10), солнечный фотоэлемент (60) имеет пленочную структуру, тем самым лишь незначительно увеличивая общую толщину устройства. Как и в ранее описанных вариантах исполнения изобретения, светонаправляющий слой (50) и освещающий элемент (30) представляют собой единый элемент, выполненный из органического элемента - пластины полимерного световода. Такие световоды являются прозрачными, они имеют малое затухание излучения видимого диапазона спектра. Кроме того, освещающие элементы (30), выполненные из полимерных пластин, легко могут быть легированы люминесцентными материалами. Эти люминесцентные материалы могут поглощать искусственный свет (21), а затем вновь излучать свет с другой длиной волны. Далее, люминесцентные материалы могут вносить свой вклад в рассеяние искусственного света (21), излученного светоизлучающим элементом (20). Это рассеяние ведет к появлению дополнительной компоненты света, отраженной на освещаемую поверхность.
На фиг. 7 показано еще одно исполнение осветительного устройства (10). В отличие от описанных осветительных устройств (10), здесь выключатель (65) установлен на одной из боковых сторон опорного элемента (40). Это увеличивает удобство пользования осветительным устройством (10). Кроме того, здесь солнечный фотоэлемент (60) расположен на освещающем элементе (30). Для того, чтобы можно было видеть текст, закрытый освещающим элементом (30), последний, так же, как и светонаправляющий слой (50), должен быть прозрачным для искусственного света (21), отраженного поверхностью. С этой целью солнечный фотоэлемент (60), покрывающий светонаправляющий слой (50), тоже должен быть прозрачен для искусственного света (21). Такой солнечный фотоэлемент (60) можно сделать прозрачным на основе использования фотоэлектрохимического преобразователя, подобного ячейке Гретцеля. Данное исполнение изобретения имеет то преимущество, что при этом может быть сильно сокращен размер опорного элемента (40). Поскольку солнечный фотоэлемент (60) покрывает освещающий элемент (30), в большом опорном элементе (40) необходимости нет, ведь размеры всех остальных элементов, например, батарейки (61) и светоизлучающего элемента (20) по сравнению с солнечным элементом (60) малы. Кроме того, осветительное устройство (10) имеет также покрывающий элемент (70), который защищает это осветительное устройство (10) от воздействия факторов окружающей среды, таких как влажность. Покрывающий элемент (70) может быть выполнен из резины, закрывающей как опорный элемент (40), так и части освещающего элемента (30).
На фиг. 8 показан еще один вариант исполнения осветительного устройства (10). В отличие от вышеописанных вариантов исполнения, опорный элемент (40) прикреплен к одной из длинных боковых сторон (36) прямоугольного освещающего элемента (30). При этом светоизлучающий элемент (20) расположен сбоку на одной из малых боковых сторон (36') освещающего элемента (30). Осветительное устройство (10) оборудовано уже описанными ранее солнечным элементом (60) и выключателем (65). Вследствие того, что светоизлучающий элемент (20) расположен сбоку, на одной из малых боковых сторон (36) освещающего элемента (30), а также вследствие ограниченной расходимости светового пучка, испущенного светоизлучающим элементом (20), искусственный свет (21) имеет конусное распределение, оставляя темную область (22). Этой темной области достигает лишь очень небольшая часть искусственного света (21) из-за рассеяния внутри освещающего элемента (30). Для уменьшения величины этой темной области (22) распределения излучения светоизлучающий элемент (20) может быть установлен в одном из углов (31) освещающего элемента (30), как показано на фиг. 9. В указанном исполнении угол (31) освещающего элемента (30) срезан под углом от 30 до 60º. Кроме того, оставшиеся углы (31') закруглены для того, чтобы создать более равномерное освещение. Как видно из показанных на фигуре лучей искусственного света (21), на освещающем элементе (30) больше нет темных областей (22). С другой стороны, при этом создается очень равномерное освещение освещающего элемента (30), что обеспечивает пользователю возможность комфортного чтения текста, освещенного этим освещающим элементом (30).
3
5
12
2
4
Освещающий элемент (30) может содержать люминесцентный материал (37) с целью поглощения искусственного света (21), распространяющегося почти параллельно нижней поверхности (35) освещающего элемента (30), с последующим вторичным испусканием света в различных направлениях относительно исходного направления. Такое явление почти всегда имеет место, если люминесцентный материал испускает свет изотропно. Если используются частицы люминесцентного материала с анизотропным излучением, то угловое распределение вторично излученного света может быть снова "скорректировано" в направлении нижней поверхности (35). Люминесцентный материал может быть либо распределен в освещающем элементе (30) равномерно, либо сосредоточен в полостях (38), как показано на фиг. 10. Эти полости могут иметь различную форму: показанная на фиг. 10 прямоугольная форма полости при взгляде на нее сбоку - всего лишь один из возможных примеров. Люминесцентный материал должен иметь сильное поглощение в спектральном диапазоне света, испускаемого, по крайней мере одним или несколькими светоизлучающими элементами (20). Возможными примерами люминесцентных материалов (37) являются органические люмогены от компании BASF или неорганические материалы, такие как YAlO:Ce или (Sr, Ba)SiO:Eu. Люминесцентный материал (37) - предпочтительно, органический материал, который может легко растворяться в материале освещающего элемента (30). По крайней мере, некоторые из излучающих элементов могут излучать синий свет или излучение в ближней УФ-области, чтобы в результате вторичной эмиссии люминесцентный материал смог излучать свет с длинами волн по всему видимому спектру. Для получения однородного белого цвета следует очень тщательно подбирать количество люминесцентного материала в зависимости от расстояния до излучающих элементов и формы освещающего элемента (30). Люминесцентный материал можно использовать для получения света (21) любого цвета, исходящего из освещающего элемента (30). Предпочтительно также регулировать количество и оптические свойства люминесцентного материала (37) для испускания холодного синего света 21, для того чтобы "взбодрить" пользователя или не дать ему уснуть. Во избежание прямого попадания люминесцентного света на пользователя те стороны полостей (38), которые обращены к светонаправляющему слою (50), можно покрыть отражательным слоем (39). Размер полостей (38) должен быть достаточно малым, чтобы они были невидимы для пользователя и чтобы они не вносили значительных возмущений в направление света, отраженного от освещенной поверхности.
На фиг. 11 показан освещающий элемент (30) с отражательным элементом (90') и с зеркальным элементом (94). Для того чтобы с осветительным устройством можно было работать, как с прибором, подобным настольной лампе, отражательный элемент (90') совершенно необходим. Зеркальный элемент (94) может быть добавлен к осветительному устройству (10) для увеличения яркости света (21'), отраженного от отражательного элемента (90'), с целью освещения объекта. Отражательный элемент отражает по крайней мере часть света (21), исходящего из освещающего элемента (30) через нижнюю поверхность (35) освещающего элемента (30) в направлении объекта, который должен освещаться светом (21'). Количество отраженного света (21') зависит от геометрических характеристик освещающего элемента (30) и отражательного элемента (90'), а также от углового положения отражательной поверхности отражательного элемента (90') относительно нижней поверхности (35). Для увеличения яркости света (21') над светонаправляющим слоем (50) может быть установлен зеркальный элемент (94). Часть света, проходящего по освещающему элементу (30), выйдет из освещающего элемента (30) через светонаправляющий слой (50). В случае отсутствия зеркального элемента (94) этот свет не будет отражен отражательным элементом (90'). Присутствующий зеркальный элемент (94) будет отражать свет (21) назад в освещающий элемент (30), чтобы он покинул этот освещающий элемент (30) через нижнюю поверхность (35). Зеркальный элемент может быть установлен на некотором расстоянии от освещающего элемента. Однако для получения компактного устройства это расстояние должно быть небольшим. В альтернативном варианте зеркальный элемент (94) может быть установлен в прямом контакте со светонаправляющим слоем (50). В предпочтительном варианте исполнения зеркальный элемент (94) имеет такую структуру поверхности, которая адаптирована к поверхностной структуре (51), (52), (53) светонаправляющего слоя (50) с тем, чтобы его можно было расположить сверху на светонаправляющем слое (50).
Для того чтобы с осветительным устройством можно было работать, как с осветительной лампой для чтения, а по желанию - как с прибором, подобным настольной лампе, зеркальный элемент (94) должен быть выполнен с возможностью его обратимой установки на освещающем элементе (30), на опорном элементе (40) или на отражательном элементе (90'). Обратимая установка зеркального элемента (94) может производиться либо с помощью механических устройств, таких как показанная на фиг. 15 защелка (92), (93) (предназначенная для крепления оптических элементов) или иных механических устройств, либо с использованием липкой поверхности на самом зеркальном элементе (94). Лица, сведущие в соответствующей области техники, смогут придумать и другие способы крепления.
На фиг. 12 показано осветительное устройство (10), выполненное в виде настольной лампы с двумя различными положениями отражательного элемента (90'). Для того чтобы с осветительным устройством (10) можно было работать, как с осветительной лампой для чтения, а по желанию - как с прибором, подобным настольной лампе, опорный элемент (40) должен быть таким, чтобы он мог обеспечить устойчивое положение осветительного устройства (10) в вертикальном положении, как показано на фиг. 12. Это можно достичь при достаточно большом размере основания опорного элемента (40) и достаточно большом весе опорного элемента по сравнению с установленными на нем компонентами, такими как освещающий элемент (30), отражательный элемент (90') и зеркальный элемент (94), если он установлен. Для изменения площади, освещенной светом (21'), отражательный элемент (90') крепится к осветительному устройству (10) с возможностью регулировки его положения, например, с помощью шарнира, расположенного между отражательным элементом (90') и осветительным устройством (10) так, чтобы можно было устанавливать нужный угол между этими двумя элементами. Лица, сведущие в соответствующей области техники, смогут придумать и другие крепления, допускающие изменение угла между отражательным элементом (90') и осветительным устройством (10), предпочтительно, между этим элементом и освещающим элементом (30). Угол между нижней поверхностью (35) и поверхностью отражательного элемента (90') может изменяться от 0 до 360º, предпочтительно, от 0 до 180º, а лучше всего - от 90 до 180º.
В другом варианте исполнения отражающая поверхность отражательного элемента (90'), сконфигурированная для приема и направленного отражения по крайней мере части искусственного света (21), (21'), исходящего из освещающего элемента по другому направлению, может быть установлена в непосредственном контакте с нижней поверхностью (35) освещающего элемента (35). В такой конфигурации свет (21) будет отражаться в направлении светонаправляющего слоя (35) и исходить из освещающего элемента (30) через поверхность светонаправляющего слоя (35) против нижней поверхности (35). В этом случае (без зеркального элемента (94)) осветительное устройство (10) "работает" одновременно и как лампа для чтения, освещающая объект светом (21), выходящим из освещающего элемента (30) через нижнюю поверхность (35), не покрытую отражательной поверхностью отражательного элемента (90'), и как источник света, используемый для освещения в других целях (например, для освещения комнаты) светом (21), выходящим из освещающего элемента (30) через поверхность, противоположную нижней поверхности (35), покрытую отражательной поверхностью отражательного элемента (90').
В альтернативном варианте исполнения устройства такое же назначение, что и описанное выше, может быть достигнуто с помощью зеркальной поверхности, нанесенной на часть нижней поверхности (35), с возможностью переключения режима ее работы с пропускающего на отражательный и обратно. Такими переключающимися зеркалами могут являться, например, слои электрически переключаемых жидких кристаллов. Эффективность света, пропущенного через поверхность светонаправляющего слоя, может быть, далее, увеличена, чтобы данное осветительное устройство можно было использовать при письме, если для этого использовать люминесцентную бумагу, освещенную синим светом или УФ-излучением, испускаемым некоторыми из светоизлучающих элементов (20).
На фиг. 13 показаны примеры различных возможных форм отражательного элемента (90'), а именно: с микроструктурированной поверхностью, изогнутых или сегментированных. Возможна также и плоская форма отражательного элемента (90'), которая на фиг.13 не показана.
На фиг. 14 показано действие конденсора (90). Искусственный свет (21) входит в освещающий элемент (30) с левой стороны. Часть потока искусственного света (21) проходит сквозь светонаправляющий слой (50) и выходит из освещающего элемента (30) через ее верхнюю сторону. Другая часть потока искусственного света (21) будет частично отклонена светонаправляющим слоем (50) и выйдет из освещающего элемента (30) через его нижнюю поверхность (35) под малым углом к ней. Третья часть потока искусственного света (21) выходит из освещающего элемента (30) через его боковую поверхность (36). Этот последний элемент и - в зависимости от размера конденсора (90) - часть предпоследнего элемента установлены непосредственно перед конденсором (90). Поскольку конденсор (90) выполнен из светопроводящего материала, искусственный свет (21) ослабляться в нем не будет. Внешняя поверхность конденсора (90) имеет структуру (91), сконфигурированную для получения и отклонения собранного искусственного света (21). Поверхностная структура (91) выполнена с возможностью преобразования потока искусственного света (21'), выходящего из конденсора (90), в сходящийся или - как показано на фиг.14 - в параллельный пучок. Таким образом, осветительное устройство (10) может быть использовано как фонарь.
Для того чтобы осветительное устройство (10) можно было использовать как фонарь, далее описывается конденсор (90). На фиг. 15 показано поперечное сечение конденсора (90), который прикреплен к продольной стороне (36) освещающего элемента (30). Искусственный свет (21), введенный в освещающий элемент (30), и не отклоненный или лишь частично отклоненный светонаправляющим слоем (50), может покинуть освещающий элемент (30), не освещая, как предполагалось, поверхность (101). Для того чтобы использовать эту часть искусственного света (21), конденсор (90), выполненный из светопроводящего материала, сконфигурирован с возможностью приема и изменения направления по крайней мере части искусственного света (21). Поэтому конденсор (90) содержит поверхность такой структуры (91), которая на показанном примере имеет вид зубьев пильного полотна. Эта поверхностная структура (91) может также быть такой, чтобы при этом образовалась линза Френеля для фокусировки выходящего из конденсора (90) искусственного света (21). Кроме того, конденсор (90) может содержать защелку (92), которая является ответной частью для второго элемента - защелки (93), установленной в освещающем элементе (30). Использование защелки (92), соединяемой со вторым элементом - защелкой (93), позволяет производить обратимое крепление конденсора (90) на освещающем элементе (30).
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 - осветительное устройство;
20 - светоизлучающий элемент;
21, 21' - искусственный свет;
22 - темная область;
30 - освещающий элемент;
31, 31' - угол освещающего элемента (30);
32 - длина освещающего элемента (30);
33 - ширина освещающего элемента (30);
35 - нижняя поверхность освещающего элемента (30);
36, 36' - боковая поверхность освещающего элемента (30);
37 - люминесцентный материал;
38 - полость;
39 - отражающий слой;
40 - опорный элемент;
50 - светонаправляющий слой;
51 - отклоняющие элементы;
52 - "лицевая" сторона отклоняющего элемента (51);
53 - "фланец" отклоняющего элемента (51);
54 - угол;
60 - солнечный фотоэлемент;
61 - батарейка питания;
62 - привод;
65 - переключатель;
70 - покрывающий элемент;
90 - конденсор;
90' - отражательный элемент.
91 - поверхностная структура
92 - защелка;
93 - вторая защелка;
94 - зеркальный элемент.