СПОСОБ СОЗДАНИЯ СВЕЧЕНИЯ СВЕТОВОГО УЗЛА С ЗАДАННЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CREATION OF LIGHT UNIT LUMINESCENCE WITH PRESET SPECTRAL DISTRIBUTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к светотехнике, а именно к способу создания свечения светового узла с заданным спектром с использованием источников первичного излучения, в частности светодиодов, и вторичного люминесцентного излучения - люминофоров.
Способ может быть использован при создании осветительных устройств бытового и промышленного назначения для улучшения их потребительских свойств:
- созданию свечения белого цвета с заданной теплотой свечения;
- созданию свечения с повышенными световым потоком и равномерностью свечения;
- созданию свечения со спектром, различающимся по направлению свечения.
Известен способ создания свечения светового узла, включающий генерирование потока первичного излучения локальными источниками, в данном случае, светодиодами и выравнивание яркости свечения путем экранирования, отражения и рассеивания светового потока источников при направлении на светопропускающую поверхность (Заявка PCT WO 2005/001331, МКИ F21S 8/00, опубликована 06.01.2005).
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что при его реализации не обеспечиваются требуемые спектр излучения и распределение равномерности свечения светопропускающей поверхности. Кроме того, при реализации известного способа имеются потери светового потока из-за многократного повторного отражения.
Известен способ создания свечения светового узла, включающий генерирование потока первичного излучения локальным источником, в данном случае, светодиодом, имеющим спектр излучения в ультрафиолетовом или близком к нему излучении и преобразование ультрафиолетового излучения в видимый свет с помощью люминофора, распределенного в оптически прозрачной смоле совместно с неорганическими прозрачными частицами. При этом рассеивание света осуществляется за счет неорганических прозрачных частиц, а корректировка цвета излучения осуществляется за счет применения оптически прозрачной смолы с красящим пигментом.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относятся большие потери светового потока на многочисленных преломлениях и переотражениях на неорганических прозрачных частицах, а также на частицах красящего пигмента, заключенных в смолу. Также для получения теплого белого света требуется большое количество люминофора и пигмента, что усложняет и удорожает способ (Патент РФ №2319063 С2 на изобретение, МКИ F21V 9/00, опубликован 2008.03.10).
Известен способ создания свечения светового узла, включающий генерирование потока первичного излучения локальными источниками, в данном случае, светодиодами и преобразование синего или ультрафиолетового излучения в белый цвет свечения с помощью специального люминофора, имеющего спектр излучения в требуемом диапазоне. При этом корректировка спектра излучения белого цвета осуществляется за счет изменения химического состава люминофоров.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится его трудоемкость и технологическая сложность получения требуемого спектра излучения изменением химического состава люминофора, а также то, что формируется узкая диаграмма светового излучения и неравномерность излучения (Патент РФ №2251761 на изобретение, МКИ H01L 33/00, опубликован 2005.05.10).
Наиболее близким способом того же назначения по совокупности признаков является способ создания светоизлучающего узла, в котором генерируют излучение светодиодом в фиолетовой и синей области спектра, излучение преобразуется в излучение люминофора в люминесцентном покрытии, нанесенном на светопропускающую подложку, и частично проходит через люминофор и подложку и при этом образуется результирующее свечение.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что создание требуемого теплого спектра излучения известным способом малоэффективно, так как, при применении светодиода с излучением в синей или ультрафиолетовой области, для преобразования его излучения в теплое белое свечение требуется большое количество частиц люминофора. Это приводит к большим потерям светового потока и к увеличению затрат на люминофор. Для получения теплого излучения требуется максимально преобразовать первичное синее свечение светодиода в другую область спектра и/или ограничить световой поток первичного синего излучения светодиода, проходящего через покрытие наружу. Как полнота преобразования, так и уменьшение коэффициента пропускания синего свечения достигают за счет большого количества частиц люминофора в покрытии. Но из-за наличия большого количества частиц люминофора, получение теплого белого свечения приводит к большим потерям на отражение и переотражение на частичках люминофора как первичного излучения светодиода, так и вторичного излучения самих частиц люминофора. В связи с этим же ограничена эффективность получения нужных оттенков свечения. Использование светопропускающей подложки и светопропускающего покрытия с введенным в него люминофором приводит к дополнительным потерям светового потока из-за наличия коэффициентов пропускания как подложки, так и покрытия (патент РФ №2301475 на изобретение, МКИ H01J 63/06, опубликован 2007.06.20).
Заявленное изобретение решает задачу создания свечения узла с заданным спектральным распределением белого цвета с применением светодиодов. При осуществлении изобретения может быть получен технический результат, заключающийся в упрощении создания свечения белого цвета требуемой теплоты, упрощении изменения спектра свечения и повышении точности создания заданного спектра свечения, повышении светового потока от узла, увеличении равномерности свечения, за счет преобразования части спектра холодного белого первичного излучения из одной области спектра в другую, более теплую, область спектра и за счет подбора концентрации и количества люминофора в оболочке и оптимизации применения светодиодов.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе создания свечения светоизлучающего узла с заданным спектральным распределением, включающем генерирование потока излучения источником первичного излучения, воздействие этим потоком на люминесцентный материал и суммирование световых потоков первичного излучения и вторичного люминесцентного излучения, первичное излучение создают источником холодного белого излучения, в частности светодиодом, в котором суммарный спектральный диапазон излучения светодиода выбирают из выражения
где  - суммарный спектральный диапазон излучения источника первичного излучения в диапазоне длин волн от 380 до 780 нм;
- суммарный диапазон длин волн в нм в диапазоне видимого спектра от 500 до 780 нм;
1
Δλ - длина волны в нм, соответствующая пику излучения в синем диапазоне спектра, значение которой выбирают из выражения
1
380≤Δλ≤500,
1
так, чтобы длина волны Δλ совпадала полностью или частично с диапазоном спектра поглощения люминофора во вторичном источнике излучения.
1
Значение относительного светового потока источника излучения на длине волны Δλвыбирают из выражения
отн.
1
0,2≤F(Δλ)≤1,
отн.
1
1
где F(Δλ) - значение относительного светового потока на длине волны Δλв общем спектральном распределении источника излучения.
Значение пика относительных световых потоков источника излучения на длинах волн в диапазоне  выбирают из выражения
,
где  - значение пика относительного светового потока на длинах волн  в общем спектральном распределении источника излучения.
1
В качестве источника вторичного излучения выбирают люминофор, который вводят в объем светопропускающей оболочки, при этом диапазон поглощения люминофора выбирают так, чтобы он совпадал полностью или частично Δλ- длиной волны первичного излучения, соответствующей пику излучения в синем диапазоне спектра.
Диапазон излучения люминофора выбирают из выражения
1
500≤Δλ≤780,
2
где Δλ- пик диапазона длины волны излучения люминофора, нм.
Коэффициент прозрачности светопропускающей оболочки выбирают из выражения
0,1≤К≤0,99,
где К - коэффициент прозрачности светопропускающей оболочки.
Объемную концентрацию люминофора в светопропускающей оболочке, которой регулируют коэффициент прозрачности светопропускающей оболочки, выбирают из выражения
0,1≤С≤30,
где С - объемная концентрация люминофора в светопропускающей оболочке, %.
Толщину светопропускающей оболочки, которой регулируют коэффициент прозрачности оболочки, выбирают из выражения
0,1≤В≤40,
где В - толщина светопропускающей оболочки, мм.
Для получения белого свечения требуемой теплоты суммируют перераспределенные спектрально и измененные по относительному значению световые потоки излучения
,
1,
где r - коэффициент пропускания первичного светового излучения в синем диапазоне с пиком излучения Δλкоторый выбирают из выражения
0,01≤r≤0,99,
Δλ1
1
F- световой поток первичного излучения в синем диапазоне с пиком излучения Δλ;
К - коэффициент прозрачности светопропускающей оболочки;
- суммарный световой поток излучения в диапазоне длин волн от 500 до 780 нм в спектральном диапазоне излучения источника первичного излучения;
- суммарный световой поток вторичного излучения люминофора в спектральном диапазоне излучения от 500 нм до 780 нм.
Таким образом, для получения оттенков свечения, в том числе, разных оттенков теплого белого используют источники излучения холодного белого цвета, в частности светодиоды. Добавляют люминофор в световую оболочку со спектром поглощения в синем диапазоне спектра и спектром излучения в наперед выбираемом диапазоне, который обеспечивает требуемое спектральное распределение того или иного оттенка теплого белого излучения. При этом относительное значение потока излучения оболочки, по сравнению с источником первичного излучения, в синем диапазоне уменьшают, а в необходимом спектральном диапазоне увеличивают. В результате, увеличивают, в соответствии с кривой видности глаза, фиксируемый световой поток. Одновременно, для обеспечения равномерности свечения, используют люминофор для рассеивания на частицах люминофора излучения, пропускаемого через оболочку, при этом излучение в синем спектре, в зависимости от желаемого спектра излучения, в большей степени превращают в излучение в другом диапазоне, а излучение в остальном диапазоне просто рассеивают. Потери светового потока светодиода на рассеивание компенсируют преобразованием в другой спектральный диапазон излучения светодиода в синей области спектра, что в соответствии с кривой видности глаза увеличивает фиксируемый световой поток.
Зная спектры поглощения и излучения люминофора заранее, точно подбирают требуемый спектр свечения, усиливают и уменьшают тот или другой оттенок, а также увеличивают поток излучения в нужной теплой области спектра белого, подбирая и меняя концентрацию используемого люминофора, коэффициент прозрачности, объемную концентрацию и толщину оболочки.
Предложенный способ получения свечения светового узла сложением первичного излучения холодного белого цвета и излучения светопропускающей оболочки с люминофором, которая преобразовывает частицами люминофора определенную, холодную синюю часть спектра первичного излучения в другую, более теплую, часть спектра и пропускает, с учетом рассеивания, определенную, более теплую, спектральную часть первичного излучения, увеличивает фиксируемый световой поток, уменьшает световые потери, упрощает процесс получения заданного спектра свечения, увеличивает точность получения заданного спектра, увеличивает равномерность свечения оболочки, уменьшает затраты на люминофор.
Для получения более точного наперед заданного спектрального потока излучения от оболочки в объем светопропускающей оболочки вводят от двух до К люминофоров, диапазоны поглощения которых, не совпадающие или совпадающие полностью или частично, выбирают из выражения
iпог
380≤Δλ≤500,
iпог
где Δλ - спектральный диапазон поглощения i-го люминофора в оболочке, где i - порядковый номер люминофора от 1 до К;
а диапазоны излучения которых не совпадают полностью или частично и значения которых выбирают из выражения
iиз
500≤Δλ≤780,
iиз
где Δλ - спектральный диапазон излучения i-го люминофора в оболочке, где i - порядковый номер люминофора от 1 до К.
Световые потоки излучения от источника первичного излучения с учетом коэффициента пропускания оболочки и световые потоки от введенных в оболочку люминофоров суммируют.
Для получения более точного наперед заданного спектрального потока излучения от оболочки поток первичного излучения холодного белого света генерируют от 2 до N зависимо или независимо управляемыми источниками излучения, например, светодиодами, спектр излучения которых выбирают таким, что f источников излучения излучают в синем диапазоне спектра и значение пика излучения для них выбирают из выражения
f
380≤Δλ≤500,
f
где Δλ - длина волны в нм, соответствующая пику излучения источника излучения f в синем диапазоне спектра,
f - порядковый номер источника излучения в синем диапазоне спектра, при этом количество таких источников выбирают от 1 до (N-1);
а пик излучения других j источников излучения выбирают из выражения
jизл
500≤Δf≤780,
jизл
где Δλ - спектральный диапазон излучения j-го источника излучения, при этом количество таких источников выбирают от 1 до (N-1).
Световые потоки излучения от источников первичного излучения с учетом коэффициента пропускания оболочки и регулирования спектрального распределения величины световых потоков от каждого из входящих в его состав N независимых источников излучения и световые потоки от введенных в оболочку люминофоров суммируют.
Для получения более точного наперед заданного углового распределения спектрального потока излучения от оболочки люминофоры вводят в светопропускающую оболочку так, что они имеют переменный состав и/или концентрацию по толщине и/или площади светопропускающей оболочки.
Известно устройство для создания свечения светоизлучающего узла, содержащее корпус, одна из граней которого выполнена в виде пропускающей свет пластины. Источники света, светодиоды, размещены внутри корпуса и снабжены средствами отражения, повторного отражения и рассеивания светового потока (Заявка РСТ WO 2005/001331, МКИ F21S 8/00, опубликована 06.01.2005).
Недостатками известного решения является конструктивная сложность и потери светового потока из-за многократного повторного отражения.
Наиболее близким устройством того же назначения по совокупности признаков является устройство для создания свечения светоизлучающего узла, содержащее корпус, имеющий светопропускающую грань и источники света в виде светодиодов, которые излучают в фиолетовой и синей области спектра. На поверхность светопропускающей подложки нанесено люминофорное покрытие, которое частично пропускает синее излучение, и частично преобразует его.
К недостаткам известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в устройстве применены светодиоды синего или фиолетового спектра излучения, которым для преобразования излучения в теплый белый требуется большое количество люминофора в покрытии. Большая концентрация люминофора приводит к большим потерям светового потока на рассеивание и переотражение и большим затратам на люминофор. Коэффициент пропускания оболочки, который, в большей степени, определяется количеством люминофора в покрытии, становится низким. Это не позволяет оптимально, с минимальными потерями, преобразовать синее или ультрафиолетовое излучение в теплое белое свечение. Получение нужных оттенков с высоким световым потоком свечения ограничено большими потерями светового потока. Введение люминофора в покрытие, нанесенное на светопропускающую подложку (оболочку), приводит также к дополнительным потерям светового потока из-за наличия коэффициентов пропускания как подложки, так и покрытия (патент РФ №2301475 на изобретение, МКИ H01J 63/06, опубликован 2007.06.20).
Техническим результатом заявленного устройства является упрощение конструкции и технологии изготовления, увеличение коэффициента полезного действия и эффективности использования свечения светодиодов, увеличение равномерности и яркости свечения.
Сущность заявленного устройства характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.
Устройство для осуществления способа создания свечения светоизлучающего узла с заданным спектральным распределением, содержащее корпус, внутри которого смонтирован источник света, выполненный в виде светодиодов, и средство пропускания и рассеяния светового потока в виде люминесцирующего материала, отличающееся тем, что в качестве источника излучения выбраны светодиоды холодного белого свечения, спектр которых выбран из выражения
где  - суммарный спектральный диапазон излучения источника первичного излучения в диапазоне длин волн от 380 до 780 нм;
- суммарный диапазон длин волн в нм в диапазоне видимого спектра от 500 до 780 нм;
- длина волны в нм, соответствующая пику излучения в синем диапазоне спектра, значение которой выбрано из выражения
1
380≤Δλ≤500,
так, что длина волны  совпала полностью или частично с диапазоном спектра поглощения люминофора во вторичном источнике излучения, люминесцирующий материал введен в светопропускающую оболочку, при этом диапазон поглощения люминофора выбран совпадающим полностью или частично с  - диапазоном волн первичного излучения, а диапазон излучения люминофора выбран из выражения
2
500≤Δλ≤780,
где  - пик диапазона длин волны излучения люминофора, нм;
при этом значение относительного светового потока на длине волны  выбрано из выражения
отн.
1
0,2≤F(Δλ)≤1,
отн.
1
где F(Δλ) - значение относительного светового потока на длине волны
1
Δλв общем спектральном распределении;
значение пика относительных световых потоков на длинах волн в диапазоне  выбрано из выражения
отнΣλ
0,2≤F≤1,
где  - значение пика относительного светового потока на длинах волн  в общем спектральном распределении источника излучения;
при этом коэффициент прозрачности светопропускающей оболочки выбран из выражения
0,1≤К≤0,99,
где К - коэффициент прозрачности светопропускающей оболочки;
объемная концентрация люминофора в светопропускающей оболочке выбрана из выражения
0,1≤С≤30,
где С - объемная концентрация люминофора в светопропускающей оболочке, %;
толщина светопропускающей оболочки выбрана из выражения
0,1≤В≤40,
где В - толщина светопропускающей оболочки, мм.
Дополнительный технический эффект может быть получен при наличии люминофора или группы люминофоров или покрытия с люминофором или группой люминофоров на внутренних поверхностях корпуса, и/или платы светодиодов, и/или отражателей, и/или любых поверхностей, находящихся внутри корпуса равномерно и/или по заранее выбранному распределению. Люминофоры, нанесенные на указанные поверхности, применены с совпадающими полностью и/или частично и/или отличающимися диапазонами поглощения и/или излучения, что и у люминофора внутри светопропускающей оболочки.
На фиг.1 показано поперечное сечение устройства для осуществления способа создания свечения светоизлучающего узла с заданным спектральным распределением.
1
Изображена схема хода лучей в устройстве. Тонкими стрелками изображены лучи части спектра Δλ, толстыми стрелками изображены лучи из части спектра .
На фиг.2 показано поперечное сечение устройства для осуществления способа создания свечения светоизлучающего узла с заданным спектральным распределением с покрытием люминофором или группой люминофоров внутренних поверхностей корпуса, и/или платы светодиодов, и/или отражателей, и/или любых поверхностей, находящихся внутри корпуса равномерно и/или по заранее выбранному распределению.
1
Тонкими стрелками изображены лучи части спектра Δλ, толстыми стрелками изображены лучи из части спектра .
Устройство для осуществления способа создания свечения светоизлучающего узла с заданным спектральным распределением содержит корпус 1, плату 2 со светодиодами 3, светоизлучающую поверхность 4, частицы люминофора 5.
Устройство для осуществления способа создания свечения светоизлучающего узла с заданным спектральным распределением дополнительно на внутренних поверхностях корпуса и плат содержит люминофорное покрытие 6.
Устройство для осуществления способа создания свечения светоизлучающего узла с заданным спектральным распределением работает следующим образом.
1
1
1
1
2
Источники света - светодиоды 3, размещенные на плате 2, генерируют поток холодного белого излучения со спектром , в котором Δλ выбрано из выражения 380≤Δλ≤500 нм, a  - суммарное излучение в диапазоне длин волн от 500 до 780 нм. Световой поток попадает и проходит через светоизлучающую оболочку 4 и возбуждает частью Δλ своего спектра световое излучение люминофора 5, у которого спектр поглощения совпадает полностью или частично с Δλ и который распределен внутри светоизлучающей оболочки. При этом выбраны спектр излучения люминофора из интервала 500≤Δλ≤780 нм и количество люминофора в виде объемной концентрации люминофора в светопропускающей оболочки из интервала 0,1≤C≤30 нм так, чтобы суммарное спектральное излучение светоизлучающей оболочки 4 сместилось в необходимую область теплого излучения.
1
Излучение светодиодов Δλ частично, в зависимости от выбранной концентрации люминофора, преобразуется частицами люминофора 5 в излучение светоизлучающей оболочки 4 и частично проходит через оболочку, а часть излучения  светодиодов 3 только рассеивается на частицах люминофора 5 и пропускается без преобразования через светоизлучающую оболочку 4.
При выбранной объемной концентрации люминофора, для обеспечения требуемых рассеивания и пропускания излучения светоизлучающей оболочкой, выбраны толщина светопропускающей оболочки из интервала 0,1≤В≤40, и коэффициент прозрачности светопропускающей оболочки из выражения 0,1≤К≤0,99
Поверхностная равномерность яркости свечения светоизлучающей оболочки увеличивается, при обеспечении максимального светового потока от оболочки, в связи с преобразованием люминофором части синего излучения в белое и в соответствии с кривой видности глаза.
Для увеличения светоотдачи и дополнительного преобразования переотражаемой части излучения на все внутренние поверхности светильника может наноситься люминофорное покрытие 6.
отн.
1
1
отнΣλ
отн.
1
1
Примером конкретного выполнения изобретения является светильник для общественных мест, содержащий 32 светодиода холодного белого света с цветовой температурой светодиодов 7500К, световым потоком каждого светодиода 100 лм и суммарным световым потоком от всех светодиодов 3200 лм. В спектре самих светодиодов присутствуют величины относительного светового потока светодиодов с максимумом F(Δλ)=1 на длине волны Δλ=460 нм и с максимумом F=0,6 на длине волны 580 нм. В светильнике использован рассеиватель с заключенным внутри люминофором в объемной концентрации 1% и длиной волны поглощения люминофора 460 нм, с толщиной поперечного сечения 2,5 мм, коэффициентом прозрачности 0,75. Цветовая температура свечения светильника с использованным рассеивателем составила 4500К, величины относительного светового потока светильника F(Δλ)=0,25 на длине волны Δλ=460 нм и  на длине волны 580 нм. Неравномерность свечения оболочки существенно уменьшилась, в 2,5-3 раза, а суммарный световой поток светильника составил 3045 лм, что соответствует световому КПД ~ 95%.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяют установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна". Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня, заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленный способ создания свечения светоизлучающего узла не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, в которых получение теплого белого свечения светоизлучающей поверхности, повышение равномерности заданного спектра свечения, упрощение изменения спектра свечения, повышение светового потока, улучшение заданной равномерности свечения достигалось бы за счет селективного изменения спектра свечения источника света путем применения люминофора в светоизлучающей оболочке с диапазоном поглощения люминофора, соответствующим одной части спектра источника излучения и диапазоном излучения люминофора, соответствующим другой части диапазона излучения источника излучения, выбора концентрации люминофора, коэффициента светопропускания.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский" уровень.