Светоизлучающее устройство с регулируемым цветом
Предложено светоизлучающее устройство (100) с регулируемым цветом. Оно содержит твердотельный источник (101) света, выполненный с возможностью излучать свет первого диапазона (L1) длин волн. Светоизлучающее устройство также содержит элемент (102), преобразующий длину волны, выполненный с возможностью принимать свет этого первого диапазона длин волн, излучаемого источником света, и способный преобразовывать свет первого диапазона длин волн в видимый свет (L2) второго диапазона (L2) длин волн. Светоизлучающее устройство также содержит узкополосный отражатель (103, 104), расположенный в направлении выхода света от элемента, преобразующего длину волны, для приема света упомянутого второго диапазона длин волн. При этом упомянутый узкополосный отражатель выполнен с возможностью реверсивного переключения между первым состоянием, в котором узкополосный отражатель отражает первый поддиапазон упомянутого второго диапазона длин волн, и вторым состоянием, в котором узкополосный отражатель отражает второй поддиапазон второго диапазона длин волн. Причем упомянутый первый поддиапазон и упомянутый второй поддиапазон отличаются друг от друга. 12 з.п. ф-лы, 25 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к конструкции на основе твердотельного источника света с возможностью регулирования спектра выходящего света.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Во многих случаях, например на оптовых или торговых ярмарках, желательно презентовать объекты, напр., свежую пищу, так, чтобы они выглядели привлекательно. Что касается освещения, это обычно означает, что цвета изделий следует усилить.
Обычно для этой цели применяют компактные газоразрядные лампы высокой интенсивности, такие как натриевые лампы ультравысокого давления (напр., лампы SDW-T) или специальные флуоресцентные лампы. В случае источников света, имеющих более непрерывный спектр, для получения требуемого спектра часто применяют дополнительный фильтр, что однако приводит к низкому кпд системы. Дополнительными недостатками таких известных источников света являются относительно низкий кпд и короткий срок службы.
Для устранения вышеуказанных недостатков в принципе можно применять решения на базе светоизлучающих диодов. Комбинируя светоизлучающие диоды с разным спектром выхода в требуемой пропорции, напр., синий, зеленый, желтый и красный, можно получить спектр выхода дающий насыщенность разных цветов. Однако трудно создать светодиод с требуемым максимумом эмиссии. Другими недостатками известных решений на базе светодиодов являются низкий кпд и сложность системы, поскольку применение светодиодов разных цветов приводит к появлению сложных проблем сортировки. Более того, для поддержания стабильности цветовой точки нужна сложная система управления, поскольку, в частности, красные светодиоды подвержены сильным изменениям выходного спектра в зависимости от тока и температуры. В результате повышается стоимость лампы.
При создании общего освещения некоторые недостатки систем со светодиодами разных цветов можно устранить, используя только синие светодиоды и преобразуя часть синего света с помощью материала, изменяющего длину волны (также именуемого "фосфор") для получения белого светового выхода. Однако недостатком многих фосфоров, преобразующих синий свет для специализированных задач по освещению заключается в том, что они обычно создают широкий спектр эмиссии и поэтому не позволяют получить насыщенность цветов.
Кроме того, описанные известные системы создают свет заранее определенного спектра, который может допускать усиление одного или, самое большее, малого количества цветов. В среде розничной торговли оптимальное освещение всех объектов типично требует множества разных спектральных композиций. Например, для освещения фруктов и овощей желателен белый цвет с усиленным зеленым компонентом (зеленоватый), а для сыра и мяса желателен белый свет с усиленным желтым и усиленным красным компонентом, соответственно. Кроме того, для освещения рыбы предпочтителен холодный белый свет, тогда как для хлеба наибольшую визуальную привлекательность создает теплый белый свет. В настоящее время не существует единой системы, которую можно использовать для оптимального освещения объектов, настолько различающихся по цвету.
В US 2011/01786091 раскрыто устройство, создающее выход переменного цвета. Устройство содержит светодиод, расположенный в световой камере, люминесцентный элемент (фосфор), и электрически регулируемый рассеивающий элемент, посредством которого можно изменять цветовую точку и коррелирующую цветовую температуру излучаемого света. Устройство можно отрегулировать на излучение холодного белого цвета или теплого белого цвета. Однако несмотря на изобретение, описанное в US 2011/01786091, остается потребность в улучшенный устройствах, создающих свет с регулируемым цветом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является устранение этой проблемы и создание светоизлучающего устройства, которое можно легко адаптировать для создания на выходе света с желаемым спектром, способным усиливать различные цвета.
Согласно первому аспекту изобретения эта и другие цели достигаются с помощью светоизлучающего устройства с регулируемым цветом, содержащего:
- твердотельный источник света, выполненный с возможностью излучать свет в первом диапазоне длин волн;
- элемент, преобразующий длину волны, расположенный для приема света первого диапазона длин волн, излучаемого источником света и способный преобразовывать свет первого диапазона длин волн в видимый свет второго диапазона длин волн;
- узкополосный отражатель, расположенный в направлении выхода света от элемента, преобразующего длину волны для приема света второго диапазона длин волн, при этом этот узкополосный отражатель реверсивно переключается между первым состоянием, в котором узкополосный отражатель отражает первый поддиапазон второго диапазона длин волн, и вторым состоянием, в котором узкополосный отражатель имеет другие оптические свойства.
Выходной спектр светоизлучающего устройства по настоящему изобретению можно легко регулировать по желанию в соответствии с требуемым назначением, напр., освещаемым объектом. Поэтому можно осуществлять усиление или подавление любого цвета и управление им. Типично, второй диапазон длин волн представляет спектр видимого света (от 400 до 800 нм).
Во втором состоянии узкополосный отражатель отражает второй поддиапазон второго диапазона длин волн. Типично первый поддиапазон и второй поддиапазон отличаются друг от друга. Предпочтительно, первый и второй поддиапазоны не перекрывают друг друга. Ширина полосы отражения узкополосного отражателя в первом состоянии и, факультативно, также и во втором состоянии (т.е., ширина поддиапазона R1 и, факультативно, также поддиапазона R2) может быть 100 нм или меньше, предпочтительно 50 нм или меньше. Таким образом, можно очень точно настраивать спектр выхода.
В некоторых вариантах узкополосный отражатель может содержать множество участков, имеющих разные отражающие свойства. Например, узкополосный отражатель может содержать множество расположенных в одной плоскости участков, имеющих разные отражающие свойства, и узкополосный отражатель может быть расположен так, чтобы по меньшей мере два участка, находящихся в одной плоскости, могли одновременно принимать свет, излучаемый твердотельным источником света. В других вариантах узкополосный отражатель может содержать два по меньшей мере два узкополосных отражателя или слои узкополосного отражателя с разными отражающими свойствами и расположенные на пути от элемента, преобразующего длину волн, в направлении выходя света. По меньшей мере два узкополосных отражателя или слои узкополосного отражателя могут независимо друг от друга переключаться между первым состоянием и вторым состоянием. Все эти варианты увеличивают количество возможных спектров выхода и, таким образом, повышают адаптируемость и универсальность светоизлучающего устройство с регулируемым цветом.
В вариантах настоящего изобретения узкополосный отражатель может механически переключаться между первым состоянием и вторым состоянием путем изменения положения по меньшей мере одного из этих участков относительно элемента, преобразующего длину волн. Альтернативно, в других вариантах отражающие свойства узкополосного отражателя или его участка электрически переключаются между первым состоянием и вторым состоянием. Например, электрически переключаемый узкополосный отражатель может содержать электрически управляемую жидкокристаллическую ячейку, электрически управляемый тонкопленочный скручивающийся затвор и/или электрически управляемый электрохромный слой.
В некоторых вариантах светоизлучающее устройство далее содержит светорассеиватель или наклонный рассеивающий отражатель, установленный на пути от узкополосного отражателя в направлении выхода света. Светорассеиватель может улучшить распределение света и гомогенность светового выхода. Светорассеиватель может быть особенно полезен в комбинации с электрически переключаемым узкополосным отражателем, описанным выше.
В других вариантах светоизлучающее устройство может содержать светосмесительную камеру, расположенную на пути от узкополосного отражателя в направлении выхода света. Светосмесительная камера обеспечивает повторное использование света и может дополнительно улучшить распределение и гомогенность света.
В некоторых вариантах светоизлучающее устройство далее может содержать датчик света, расположенный для определения спектрального состава света, отражаемого узкополосным отражателем. Датчик света типично соединен с управляющим устройством для электрического управления переключением узкополосного отражателя межу первым состоянием и вторым состоянием. Поэтому узкополосный отражатель можно автоматически регулировать для создания заранее определенного требуемого спектрального состава выходящего света. Альтернативно или дополнительно, в некоторых вариантах светоизлучающее устройство может содержать датчик света, расположенный для измерения спектрального состава света вне светоизлучающего устройства и соединенный с управляющим устройством для электрического управления переключением узкополосного отражателя между первым состоянием и вторым состоянием. В результате узкополосный отражатель и, следовательно, выходящий свет можно автоматически регулировать на основе отражающих свойств освещаемого объекта.
Согласно другому аспекту предлагается светильник, содержащий описанное светоизлучающее устройство.
Следует отметить, что изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, приведенных в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее следует более подробное описание этих и других аспектов изобретения со ссылками на приложенные чертежи варианта (вариантов) изобретения, где:
Фиг. 1а-b - общая концепция светоизлучающего устройства с регулируемым цветом (вид сбоку) по настоящему изобретению.
Фиг. 2а-с и 3а-с - графики, иллюстрирующие иллюстративную интенсивность света для разных длин волн для света L1, L2, L3,L4 R1 и R2 как показано на фиг. 1а-b.
Фиг. 4а-b - схематические виды сбоку варианта, содержащего механически переключаемый узкополосный отражатель.
Фиг. 5а-b - схематические виды сбоку варианта, содержащего электрически переключаемый узкополосный отражатель.
Фиг. 6 - схематический вид сбоку другого варианта, содержащего механически переключаемый узкополосный отражатель.
Фиг. 7 - схематический вид в перспективе другого варианта, содержащего механически переключаемый узкополосный отражатель.
Фиг. 8 - схематический вид в перспективе другого варианта, содержащего механически переключаемый узкополосный отражатель.
Фиг. 9 - схематический вид в перспективе другого варианта, содержащего механически переключаемый узкополосный отражатель.
Фиг. 10 - схематический вид в перспективе другого варианта, содержащего механически переключаемый узкополосный отражатель.
Фиг. 11 - схематический вид в перспективе другого варианта, содержащего электрически переключаемый узкополосный отражатель.
Фиг. 12 - схематический вид в перспективе другого варианта, содержащего электрически переключаемый узкополосный отражатель.
Фиг. 13а-b - схематические виды в перспективе другого варианта, содержащего электрически переключаемый узкополосный отражатель в форме электрически управляемого скручивающегося затвора.
Фиг. 14 - схематический вид сбоку варианта, содержащего электрически переключаемый узкополосный отражатель и светорассеиватель.
Фиг. 15 - схематическое сечение варианта, содержащего электрически переключаемый узкополосный отражатель, светосмесительную камеру и светорассеиватель.
Фиг. 16 - схематический вид сбоку варианта, содержащего электрически переключаемый узкополосный отражатель и наклонный рассеивающий отражатель.
Фиг. 17 - схематическое сечение варианта, содержащего электрически переключаемый узкополосный отражатель и датчик света, соединенный с узкополосным отражателем через управляющее устройство.
На чертежах размеры слоев и областей преувеличены для целей иллюстрации и, таким образом, предназначены для иллюстрации общей структуры вариантов по настоящему изобретению. На всех чертежах одни и те же элементы обозначены одними и теми же позициями.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Далее следует более подробное описание настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых показаны предпочтительные в настоящее время варианты. Настоящее изобретение, однако, может быть реализовано во множестве других форм и не должно толковаться как ограниченное описанными здесь вариантами. Эти варианты приведены для глубины и полноты описания и полностью демонстрируют специалистам объем изобретения.
На фиг. 1а и 1b показана общая структура светоизлучающего устройства по варианту настоящего изобретения. Светоизлучающее устройство 100 содержит источник 101 света, установленный на подходящей опоре (не показана). В направлении выхода света от источника света, но на некотором расстоянии от него установлен элемент 102, преобразующий длину волн. На противоположной стороне элемента, преобразующего длину волн, относительно источника света (т.е. дальше по пути света) установлен узкополосный отражатель 103.
Во время работы источник света излучает свет L1 первого диапазона длин волн, например, синий свет. Свет L1 попадает а элемент, преобразующий длину волн, который преобразует по меньшей мере часть света L1 в свет второго диапазона длин волн, обозначенный L2. Свет L2 попадает на узкополосный отражатель 103. В первом состоянии, показанном на фиг. 1а линейной штриховкой, узкополосный отражатель пропускает большую часть света L2 второго диапазона длин волн, за исключением узкого поддиапазона R1, который отражается. Поэтому в первом состоянии узкополосный отражатель пропускает свет L3 (L3=L2-R1).
На фиг. 1b показан светоизлучающее устройство 100, в котором узкополосный отражатель 013 переключился во второе состояние, представленное на фиг. 1b плотным рисунком штриховки. В этом втором состоянии узкополосный отражатель отражает узкий поддиапазон R2, а не R1. Поэтому во втором состоянии общий излученный свет L4 от светоизлучающего устройства отличается по спектральному составу от света L3, излучаемому при первом состоянии (L4=L2-R2).
Типично, в первом состоянии свет диапазона R2 может пропускаться, а свет диапазона R1 - отражаться. Аналогично, во втором состоянии свет диапазона R1 может пропускаться, а свет диапазона R2 - отражается.
На фиг. 2а-с и 3а-с схематически показан иллюстративный спектральный состав света, создаваемого светоизлучающим устройством по вариантам настоящего изобретения. На фиг. 2а и 3а показаны спектры интенсивности света L1, излучаемого источником 101, и преобразованного света L2, создаваемого элементом 102, преобразующим длину волн.
На фиг. 2b показана интенсивность света R1, отраженного узкополосным отражателем 103 в первом состоянии. На фиг. 2с показан спектр интенсивности света L3, выходящего из светоизлучающего устройства после пропускания узкополосным отражателем в первом состоянии. Как видно из чертежей, выходной спектр лишен длин волн, соответствующих диапазону R1, отраженному узкополосным отражателем. Светоизлучающее устройство с таким конкретным спектром на выходе можно использовать для усиления желтого цвета за счет зеленого цвета. Поэтому в первом состоянии светоизлучающее устройство можно применять для освещения желтых объектов, например, бананов.
Наоборот, фиг. 3b иллюстрирует спектр интенсивности света R2, отраженного узкополосным отражателем 103 во втором состоянии. Соответственно, фиг. 3с иллюстрирует спектр интенсивности света L4, выходящего из светоизлучающего устройства после пропускания узкополосным отражателем во втором состоянии. Как видно на чертежах, выходной спектр лишен длин волн, соответствующих свету R2, отраженному узкополосным отражателем. Таким образом, во втором состоянии светоизлучающее устройство можно использовать, факультативно, в комбинации с фильтром, для усиления цвета красных объектов, например, томатов.
Узкополосный отражатель 103 является реверсивно переключаемым между первым состоянием, в котором он отражает свет первого поддиапазона R1, и вторым состоянием, в котором он отражает свет второго поддиапазона R2. Эти первый и второй поддиапазоны типично являются узкими диапазонами в спектре видимого света. Ширина поддиапазонов, отражаемых узкополосным отражателем, типично составляет 100 нм или менее и, предпочтительно, 50 нм или менее. Поэтому поддиапазон R1 и, факультативно, поддиапазона R2, обычно не превышает 100 нм, предпочтительно, 50 нм.
Переключение между этими первым и вторым состояниями может выполняться пользователем и типично выполняется в соответствии с конкретным освещаемым объектом. Переключение может быть механическим или электрическим. На фиг. 4а-b показана концепция механического переключения. На фиг. 4а узкополосный отражатель 103 находится в первом состоянии. Узкополосный отражатель в вариантах с механическим переключением типично содержит две области 103а и 103b, имеющие разные отражающие свойства. В частности, часть 103а способна отражать сет первого поддиапазона, обозначенного R1. Поэтому, как показано на фиг. 4а, когда часть 103а установлена на пути света от источника счета и элемента, преобразующего длину волн (здесь перед элементом, преобразующим длину волн), говорят, что узкополосный отражатель находится в первом состоянии. Вторая часть 103b, с другой стороны, способна отражать свет другого поддиапазона, обозначенного R2. Как показано на фиг. 4b, когда вторая часть 103b, а не первая 103а, расположена на пути выходного света от источника света и элемента, преобразующего длину волн, говорят, что узкополосный отражатель находится во втором состоянии. Узкополосный отражатель можно сдвигать механически, т.е., буквально смещать между двумя положениями, показанными, соответственно на фиг. 4а и 4b.
Другая концепция переключения узкополосного отражателя между первым состоянием и вторым состоянием представлена на фиг. 5а-b. В таких вариантах узкополосный отражатель содержит материал, свойствами которого можно управлять с помощью электричества. Другие примеры и подробности будут приведены ниже. Узкополосный отражатель 104 соединен с источником напряжения. В отсутствии приложенного напряжения (U=0) узкополосный отражатель может либо быть одинаково прозрачным для света всего видимого диапазона, либо может отражать первый поддиапазон R1 видимого света. Таким образом, в отсутствии приложенного напряжения узкополосный отражатель находится в первом состоянии. Когда напряжение приложено, как показано на фиг. 5b, узкополосный отражатель отражает свет второго поддиапазона R2. Таким образом, при приложенном напряжении узкополосный отражатель находится во втором состоянии. Альтернативно, в отсутствии приложенного напряжения узкополосный отражатель 104 может отражать первый поддиапазон, а в ответ на приложенное напряжение может становиться прозрачным.
Кроме того, предусматривается, что узкополосный отражатель может иметь разные отражающие свойства при разных напряжениях, и поэтому может иметь третье состояние, отражая свет в поддиапазоне R3, четвертое состояние, отражающее свет в поддиапазоне R4, и т.д., при разных напряжениях.
На фиг. 6-10 показаны различные варианты, в которых применяется механическое переключение между первым и вторым состояниями и, факультативно, третьим, четверым и т.д. состояниями. Как показано на фиг. 6, узкополосный отражатель 103 может содержать три области 103а, 10-3b 103с, имеющие разные отражающие свойства и каждая из которых представляет состояние, в котором отражается конкретный поддиапазон. Поэтому такой узкополосный отражатель может иметь по меньшей мере три состояния. Механически переключаемый узкополосный отражатель может частично переключаться между первым и вторым состояниями или между вторым и третьим состояниями, тем самым давая возможность получить множество промежуточных положений (представляющих дополнительные состояния).
Механически переключаемый узкополосный отражатель может содержать оптические фильтры, такие как интерференционные фильтры или дихроичные фильтры, материал с фотонными запрещенными зонами и пр.
На фиг. 7 представлен вид в перспективе светоизлучающего устройства с четырьмя разными частями 103а, 103b, 103c, 103d, которые могут механически сдвигаться так, что каждый из этих участков может быть расположен на пути выхода света от источника света и элемента, преобразующего длину волн. Так, в первом состоянии узкополосный отражатель может отражать свет множества (напр., двух или трех) поддиапазонов. В таких вариантах во втором и последующем состояниях узкополосный отражатель может отражать свет второго множества поддиапазонов, отличающихся от первого или любого предыдущего состояния, определяющего по меньшей мере один поддиапазон. Предусмотрено, также, что узкополосный отражатель по фиг. 4а-b, фиг. 6 и фиг. 7 может быть сдвинут частично, чтобы области двух участков 103а и 103b были одновременно расположены на пути выходящего света от источника света и элемента, преобразующего длину волн, чтобы в третьем состоянии свет, отражаемый узкополосным отражателем, содержал два поддиапазона R1 и R2, факультативно в разных пропорциях отражаемого количества (интенсивности). Для варианта по фиг. 6 четвертое состояние может представлять области участков 103b, 103c, расположенные одновременно на пути выходящего света от источника света и элемента, преобразующего длину волны, и в этом четвертом состоянии может отражаться свет первого поддиапазоне R2 и третьего поддиапазона R3.
В другом варианте, показанном на фиг. 9, узкополосный отражатель содержит по меньшей мере два слоя 105, 106, расположенные один над другим на путы выходящего света и имеющие разные отражающие свойства. Так, участок 103а узкополосного отражателя может содержать участки 105а и 106а слоя. Аналогично, часть 103b может содержать участки 105b и 106b слоя. Участки 105а, 105b слоя могут иметь одинаковые или разные отражающие свойства. Также участки 106а, 106b слоя могут иметь одинаковые или разные отражающие свойства. Обычно, однако, между по меньшей мере одним из участков 105а-105b и одним из участков 106а-106b имеется некоторая разница в отражающих свойствах.
В еще одном варианте, показанном на фиг. 10, вместо узкополосного отражателя, состоящего из нескольких слоев, можно использовать два узкополосных отражателя 103ʹ, 103" расположенных на пути выходящего света от источника света и элемента, преобразующего длину волн. Каждый из узкополосных отражателей 103ʹ, 103" содержит по меньшей мере две описанные выше области, имеющие разные отражающие свойства. Узкополосные отражатели 103ʹ, 103" могут сдвигаться независимо друг от друга между разными положениями. Поэтому любая комбинация участков, расположенных перед элементом, преобразующим длину волн, может представлять состояние, в котором отражается свет конкретного поддиапазона (поддиапазонов). Например, когда каждый из узкополосных отражателей 103ʹ, 103" содержит две области, эти узкополосные могут создать по меньшей мере четыре разных состояния. Узкополосные отражатели 103ʹ, 103" не обязательно имеют одинаковое количество частей или одинаковое расположение частей с разными отражающими свойствами. Каждый из отражателей 103ʹ, 103" можно описать со ссылками на фиг. 4а-b, 6, 7 или 8.
Далее со ссылками на фиг. 11, 12 и 13а-b будут описаны другие варианты, в которых применяется электрическое переключение.
На фиг. 11 показано светоизлучающее устройство, содержащее два пакета из двух электрически управляемых узкополосных отражателя 104ʹ, 104". Узкополосные отражатели 104ʹ, 104" могут управляться независимо и могут быть соединены с разными источниками напряжения. Альтернативно, как показано на фиг. 12, электрически переключаемый узкополосный отражатель может содержать разные, оптически независимо управляемые области 104а, 104b. Каждая из этих частей 104а, 104b соединена с источником напряжения. Предусматривается, что узкополосный отражатель может иметь периодически повторяющийся рисунок по меньшей мере двух типов частей 104а, 104b, тем самым формируя узкополосный мозаичный отражатель.
В вариантах настоящего изобретения электрически переключаемый узкополосный отражатель может содержать материал с оптическими свойствами, которыми можно управлять с помощью электричества. К примерам относятся жидкокристаллические материалы и электрохромные материалы. Например, в некоторых вариантах узкополосный отражатель может быть жидкокристаллической ячейкой, содержащей жидкокристаллический материал, например, холестерический жидкокристаллический материал, помещенный между двумя оптически прозрачными электродами, соединенными с источником напряжения. При подаче электрического поля молекулы жидких кристаллов переключаются из состояния пропускания в состояние отражения, или наоборот.
В иллюстративном варианте электрически переключаемый узкополосный отражатель содержит холестерический жидкокристаллический материал, типично в форме геля. Холестерические жидкокристаллические материалы можно переключать между пропускающим и отражающим состояниями. Холестерические жидкие кристаллы, также известные как хиральные нематические жидкие кристаллы, образованы слоями молекул с изменяющимися направляющими осями, что дает спиральные структуры. Отражаемая длина волны зависит от шага спирали. Этот шаг в холестерическом жидкокристаллическом материале может зависеть от типа молекул и этим шагом дополнительно в некоторых случаях можно управлять во время изготовления с помощью условий экспонирования ультрафиолетовым излучением. Преимущественно холестерический жидкокристаллический гель можно применять для мозаичного узкополосного отражателя с периодически повторяющимся рисунком из по меньшей мере двух типов частей 104а, 104b, имеющих разные отражающие свойства (типично способные отражать свет с разной длиной волны).
Альтернативно, в вариантах настоящего изобретения электрически управляемый узкополосный отражатель может содержать фотонный кристалл. Структура или частицы фотонного кристалла, которые уложены в периодически повторяющуюся структуру, вызывают интерференцию света, когда свет отклоняется этой структурой или частицами. В результате некоторые длины волн отражаются. Свойства отражения и пропускания структуры фотонного кристалла можно настраивать, изменяя расстояние между соседними структурами или частицами. Такие расстояния можно менять в ответ на воздействие электрического поля и, следовательно, отражающими свойствами можно управлять электрически, с помощью источника напряжения. Например, структурой фотонного кристалла, такой как фотонные чернила, можно управлять, повышая напряжение (напр., с 0 В до 2 В) для отражения любой длины волны в видимом спектре.
Альтернативно, электрически переключаемый узкополосный отражатель может содержать электрохромный материал.
В других вариантах электрически переключаемый узкополосный отражатель может содержать электрически управляемое устройство скручивающегося затвора. Такое устройство скручивающегося затвора может быть расположено непосредственно на элементе, преобразующем длину волн, как показано на фиг. 13а-b.
Электрически управляемое устройство скручивающегося затвора, или скручивающиеся электроды известны. Типично, такое устройство содержит плоскую подложку, на которой расположен первый прозрачный электрод, соединенный с источником напряжения (не показан). Над первым прозрачным электродом расположен изолирующий диэлектрический прозрачный слой. Скручивающийся затвор содержит гибкий оптически функциональный слой, типично сформированный из самоподдерживающейся пленки. На той стороне скручивающегося затвора, которая обращена к диэлектрическому слою, на оптически функциональный слой нанесено покрытие, образующее второй слой электрода. Скручивающиеся затворы имеют естественно скрученную конфигурацию и могут реверсивно раскручиваться в ответ на приложение электрического потенциала. В раскрученном плоском состоянии скручивающийся затвор покрывает большую часть подложки, по сравнению со скрученным состоянием. Когда электрический потенциал снимается, скручивающийся затвор восстанавливает свое первоначальное, скрученное состояние благодаря собственным напряжениям. В контексте настоящего изобретения гибкий оптически функциональный слой имеет отражающие свойства, которые в раскрученном состоянии затвора позволяют ему отражать свет в диапазоне R1.
В вариантах, содержащих электрически переключаемый узкополосный отражатель, светоизлучающее устройство типично также содержит управляющее средство, соединенное с источником напряжения, которое позволяет пользователю или автоматически управлять напряжением, подаваемым на электрически управляемый узкополосный отражатель и, следовательно, управлять его переключением.
Светоизлучающее устройство может содержать другой оптический элемент, например, отражатель, светорассеиватель, линзу, камеру для смешивания света и пр. Например, в некоторых вариантах светоизлучающее устройство может содержать коллиматор, расположенный между элементом, преобразующим длину волн, и узкополосным отражателем для выбора углового распределения света, попадающего на узкополосный отражатель.
В частности, в некоторых вариантах светоизлучающее устройство может содержать по меньшей мере один светорассеиватель 108, расположенный на пути выхода света от узкополосного отражателя, как показано на фиг. 14). Светорассеиватель 108 может быть любым подходящим известным светорассеивателем. Примерами подходящих светорассеивателей являются пластиковые светорассеиватели, содержащие рассеивающие частицы, такие как TiO2 или Al2O3, или поры или полости, и подложки, имеющие структуру поверхности, адаптированные для рассеяния света. Альтернативно, вместо пропускающего светорассеивателя можно применять рассеивающий отражатель 111. Рассеивающий отражатель может быть наклонен относительно узкополосного отражателя, как показано на фиг. 16.
В вариантах настоящего изобретения, показанных на фиг. 15, светоизлучающее устройство может содержать камеру 109 для смешивания света расположенную на пути выхода света от узкополосного отражателя. Камера для смешивания света определена по меньшей мере одной отражающей стенкой 110 и окном для выхода света, в котором установлен светорассеиватель 108.
Следует отметить, что светорассеиватель, рассеивающий отражатель и/или камера для смешивания света также могут применяться в комбинации механически переключаемым узкополосным отражателем, а не с электрически переключаемым отражателем 104.
Для улучшения возможности регулирования и улучшенной настройки спектра светоизлучающее устройство далее может содержать датчик света, измеряющий спектральный состав света, выходящего из узкополосного отражателя. Например, можно установить датчик 112 света, для измерения света в камере 109 для смешивания, как показано на фиг. 17. Датчик 112 света может быть соединен с управляющим устройством 113 и поддерживать с ним связь, а управляющее устройство 113, в свою очередь, соединено с источником напряжения, подающим напряжение на электрически переключаемый узкополосный отражатель 104, и управляет им. Таким образом, узкополосный отражатель может автоматически подстраиваться для достижения заранее заданного требуемого спектрального состава.
В некоторых вариантах светоизлучающее устройство далее может содержать внешний датчик света, выполненный с возможностью измерения спектра света вне светоизлучающего устройства, включая свет, отраженный от освещаемого объекта или предназначенного для освещения светоизлучающим устройством. Второй датчик света может быть соединен с управляющим устройством, которое в свою очередь соединено с источником напряжения и может управлять им для переключения узкополосного отражателя. Такое управляющее устройство может быть тем же управляющим устройством 113, с которым соединен датчик 112 света. Поэтому узкополосный отражатель, а значит и выходящий свет, можно автоматически регулировать также на основе отражающих свойств (цвета) освещаемого объекта.
Источник света светоизлучающего устройства по настоящему изобретению типично является твердотельный источник света, например, светоизлучающий диод, органический светоизлучающий диод или твердотельный лазер. Предпочтительно свет первого диапазона длин волн, излучаемый источником света находится в диапазоне длин волн от прибл. 300 нм до прибл. 500 нм. В некоторых вариантах источником света является синий светодиод, например, светодиод на основе GaN или InGaN.
Элемент, преобразующий длину волн выбран с должным учетом длины волны света, излучаемого источником света. Элемент, преобразующий длину волн, типично расположен на удалении от источника света (так называемая конфигурация с удаленным фосфором), но элемент, преобразующий длину волн, также может быть установлен на источнике света или рядом с ним, в так называемой близкой конфигурации.
Элемент, преобразующий длину волн, содержит по меньшей мере один люминесцентный материал. В вариантах настоящего изобретения элемент, преобразующий длину волн, может содержать множество элементов, преобразующих длину волн, соединенных в единое тело или разделенных для образования отдельных областей, обладающих разными свойствами преобразования длины волн. Например, элемент, элемент, преобразующий длину волн, может содержать множество расположенных один на другом слоев, каждый из которых содержит по меньшей мере один люминесцентный материал. Альтернативно, элемент, преобразующий длину волн, может содержать множество расположенных в одной плоскости областей по меньшей мере двух типов, содержащих разные люминесцентные материалы или разные композиции люминесцентных материалов (т.н. мозаичный фосфор).
Люминесцентный материал может быть неорганическим кристаллическим люминофором, органическим кристаллическим люминофором, и/или квантовыми точками. Примерами неорганических преобразующих длину волн материалов являются, помимо прочих, легированный церием (Се) иттрий-алюминиевый гранат (Y3Al5O12) или легированный церием (Се) лютеций-алюминиевый гранат (Lu3Al5O12). Легированный церием (Се) иттрий-алюминиевый гранат (Y3Al5O12) излучает желтоватый свет, а легированный церием (Се) лютеций-алюминиевый гранат (Lu3Al5O12) излучает желтовато-зеленоватый свет. Примерами других неорганических кристаллических люминофоров, которые излучают красный свет, являются, помимо прочих, ECAS (ECAS, который является Ca1-xAlSiN3:Eux, где 0<x≤1; предпочтительно 0<x≤0,2) и BSSN (BSSNE, который является Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz, где М представляет Sr или Ca, 0<x≤1; предпочтительно 0<x≤0,2; 0≤y≤4 и 0,0005≤z≤0,05). Примерами подходящих органических преобразующих длину волн материалов являются органические люминесцентные материалы на основе производных перилена, например, соединения, поставляющиеся под наименованием Lumogen® компанией BASF. К примерам подходящих соединений, помимо прочего относятся Lumogen® Red F305, Lumogen® Orange F240, Lumogen® Yellow F083 и Lumogen® F170.
Органический или конкретный неорганический материал, преобразующий длину волн, типично находится в материале носителя, типично в полимерной матрице. В случае конкретных неорганических кристаллических люминофоров, частицы люминофора могут быть диспергированы в материале носителя. В случае органических люминесцентных материалов, они типично молекулярно растворены в носителе. Примерами подходящих материалов носителя являются полиметилметакрилат, полиэтилентерефталат, полиэтиленнафталат и поликарбонат.
В некоторых вариантах материал, преобразующий длину волн может содержать квантовые точки или квантовые стержни. Квантовые точки - это кристаллы полупроводникового материала, по существу имеющие ширину или диаметр всего в несколько нанометров. При возбуждении падающим светом квантовые точки излучают свет, цвет которого определяется размером и материалом кристалла. Таким образом можно получить свет определенного цвета, адаптируя размер точек. Большинство известных квантовых точек с эмиссией в видимом диапазоне основаны на селениде кадмия (CdSe) с оболочкой из сульфида кадмия (CdS) и сульфида цинка (ZnS). Можно также использовать квантовые точки без кадмия, такие как фосфид индия (InP) и сульфид меди-индия (CuInS2) и/или сульфид серебра-индия (AgInS2). Квантовые точки дают очень узкую полосу эмиссии и, поэтому создают насыщенные цвета. Кроме того, цвет эмиссии легко можно настроить, адаптируя размер квантовых точек. Поэтому в варианте настоящего изобретения квантовые точки можно использовать для создания света, имеющего узкую полосу (полосы) эмиссии, т.е., свет второго диапазона длин волн, который является довольно узким или множества узких диапазонов. В таком варианте узкополосный отражатель может отражать существенную часть второго диапазона длин волн для создания выходного света, имеющего узкую, хорошо определенную композицию цветов.
В настоящем изобретении можно использовать любой тип известных квантовых точек при условии, что они имеют подходящие характеристики преобразования длин волн. Однако по причинам экологической безопасности и озабоченности состоянием окружающей среды может оказаться предпочтительным применять квантовые точки, не содержащие кадмий или, по меньшей мере, квантовые точки с очень низким содержанием кадмия.
Светоизлучающее устройство по настоящему изобретению может быть полезным в светильнике, т.е., устанавливаться в верхнем положении на стене или на потолке, или подвешиваться для особого освещения объектов в коммерческой среде, такой как розничные магазины, выставки и т.д, или для художественных или декоративных целей.
Специалистам понятно, что настоящее изобретение ни коим образом не ограничивается описанными выше вариантами. Наоборот, в пределах объема, определенного приложенной формулой изобретения, возможны различные изменения и модификации. Например, светоизлучающее устройство может содержать множество источников света, при этом каждый источник света соединен с отдельным элементом, преобразующим длину волн и/или узкополосным отражателем. Альтернативно, множество источников света могут быть расположены так, что свет, излучаемый множеством источников, принимает единственный элемент, преобразующих длину волн.
Дополнительно, изменения, вносимые в описанные варианты, могут быть понятны и осуществлены специалистом, реализующим заявленное изобретение и изучившим чертежи, описание и приложенную формулу. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, а неопределенный артикль не исключает наличия множественного числа. Тот факт, что некоторые признаки описаны в разных зависимых пунктах формулы не говорит о том, что комбинацию этих признаков нельзя использовать для получения положительного эффекта.
1. Светоизлучающее устройство (100) с регулируемым цветом, содержащее:
- твердотельный источник (101) света, выполненный с возможностью излучать свет первого диапазона (L1) длин волн;
- элемент (102), преобразующий длину волны, выполненный с возможностью принимать свет этого первого диапазона длин волн, излучаемого источником света, и способный преобразовывать свет первого диапазона длин волн в видимый свет (L2) второго диапазона (L2) длин волн;
- узкополосный отражатель (103, 104), расположенный в направлении выхода света от элемента, преобразующего длину волны, для приема света упомянутого второго диапазона длин волн, при этом упомянутый узкополосный отражатель выполнен с возможностью реверсивного переключения между первым состоянием, в котором узкополосный отражатель отражает первый поддиапазон упомянутого второго диапазона длин волн, и вторым состоянием, в котором узкополосный отражатель отражает второй поддиапазон второго диапазона длин волн,
причем упомянутый первый поддиапазон и упомянутый второй поддиапазон отличаются друг от друга.
2. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором узкополосный отражатель (103, 104) в упомянутом первом состоянии и, опционально, также во втором состоянии имеет ширину полосы отражения 100 нм или менее.
3. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором узкополосный отражатель содержит множество областей (103а, 103b, 103с, 103d, 103е, 104а, 104b), имеющих разные отражающие свойства.
4. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором узкополосный отражатель содержит множество расположенных в одной плоскости областей (103а, 103b, 103с, 103d, 103е, 104f, 104b), имеющих разные отражающие свойства и расположенных так, чтобы свет, излучаемый упомянутым источником света, могли одновременно принимать по меньшей мере две расположенные в одной плоскости области.
5. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором узкополосный отражатель содержит по меньшей мере два узкополосных отражателя (103', 103'', 104', 104'') или слоя (105, 106) узкополосного отражателя, имеющие разные отражающие свойства, расположенные на пути света от элемента, преобразующего длину волны, в направлении выхода света.
6. Светоизлучающее устройство по п. 5, в котором каждый из этих по меньшей мере двух узкополосных отражателей (103', 103'', 104', 104'') выполнен с возможностью независимого переключения между первым состоянием и вторым состоянием.
7. Светоизлучающее устройство по п. 3, в котором узкополосный отражатель (103) выполнен с возможностью механического переключения между первым состоянием и вторым состоянием за счет изменения положения по меньшей мере одной из упомянутых областей (103а, 103b, 103с, 103d) относительно слоя, преобразующего длину волны.
8. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором отражающее свойство узкополосного отражателя (104) или его области (104а, 104b) регулируется путем приложения электрического поля так, что узкополосный отражатель является электрически переключаемым между упомянутым первым состоянием и упомянутым вторым состоянием.
9. Светоизлучающее устройство по п. 8, в котором узкополосный отражатель (104) содержит электрически управляемую жидкокристаллическую ячейку.
10. Светоизлучающее устройство по п. 8, в котором узкополосный отражатель (104) содержит электрически управляемый тонкопленочный скручивающийся затвор (107).
11. Светоизлучающее устройство по п. 8, в котором узкополосный отражатель (104) содержит электрически управляемый электрохромный слой.
12. Светоизлучающее устройство по п. 1, дополнительно содержащее датчик (112) света, расположенный для определения спектрального состава света (L3), пропускаемого узкополосным отражателем, и соединенный с управляющим устройством (113) для электрического управления переключением узкополосного отражателя между упомянутым первым состоянием и упомянутым вторым состоянием.
13. Светоизлучающее устройство по п. 1, дополнительно содержащее датчик света, расположенный для определения спектрального состава света снаружи светоизлучающего устройства и соединенное с управляющим устройством для электрического управления переключением узкополосного отражателя между упомянутым первым состоянием и упомянутым вторым состоянием.
