Световая панель
Изобретение относится к световой панели, содержащей источник света и панельный элемент. Его применение позволяет получить технический результат в виде упрощения конструкции, повышения надежности и экономичности панели. Этот результат достигается благодаря тому, что панельный элемент изготавливается из прозрачного материала и предназначен для пропускания через него света. Панельный элемент выполнен в виде световодной панели, внутри которой световые пучки распространяются, испытывая полное внутреннее отражение, с выведением их из панели посредством выходной дифракционной системы. Выходная система, представляющая собой структуру типа дифракционной решетки, выполнена на всем панельном элементе и покрывает всю его световую поверхность. 7 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к световой панели, содержащей источник света и панельный элемент, изготовленный, по существу, из прозрачного материала и предназначенный для пропускания через него света. Панельный элемент сконфигурирован в виде световодной панели, внутри которой световые пучки распространяются, испытывая полное внутреннее отражение, с выведением их из панели посредством выходной дифракционной системы.
Уровень техники
Под дифракционными структурами в оптике понимаются любые тонкие структуры на поверхности, воздействие которых на проходящее излучение определяется дифракционными эффектами. Таким образом, детали указанных тонких структур должны иметь размеры порядка длины волны светового излучения и даже более мелкие. Большинство известных микропризматических структур не может рассматриваться в качестве дифракционных, поскольку их воздействие на свет основано на эффекте преломления. С другой стороны, голограмма не является решеткой, поскольку решетка не формирует трехмерное изображение или световой поток. Локальной дифракционной решеткой, в свою очередь, называют локальный дифракционный элемент, такой, например, как пиксел. При этом дифракционная структура в целом может быть составлена из большого количества разнообразных дифракционных элементов.
Из уровня техники известно оснащение осветительных или индикаторных панелей, устанавливаемых для указания выхода из помещения, обычными лампами накаливания или флуоресцентными трубчатыми лампами. В качестве примера можно указать на финскую полезную модель №1533. Известное решение относится к световой панели, снабженной кожухом осветителя, причем свет от флуоресцентной лампы-осветителя, установленной внутри кожуха, выводится по периметру панельного элемента, установленного в положение, согласованное с положением источника света. В данном известном решении кожух осветителя снабжен удлиненным отверстием, выполненным на всю его длину. Через это отверстие с доступом сверху производится замена флуоресцентной лампы-осветителя. Однако традиционные индикаторные панели данного типа имеют тот недостаток, что используемые в них лампы накаливания и флуоресцентные лампы имеют малый срок службы в связи с тем, что указатели выхода должны быть постоянно включены.
С другой стороны, известно, особенно для освещения табло в мобильных телефонах, применение дифракционных структур для выведения света из световодов. Для этой же цели были разработаны также преломляющие микропризматические или аналогичные структуры. Однако подобные структуры имеют недостаток, состоящий в появлении ярких линий, формируемых кромками призм, причем устранение этих линий с целью достижения равномерной освещенности представляется затруднительным. Кроме того, по своим возможностям в отношении выведения света призменные структуры уступают дифракционным. Среди реальных дифракционных решений следует отметить патент США №5703667, в котором описан осветитель для светового табло, выполненный в виде световода. Световод содержит прозрачную панель, на нижней поверхности которой имеется дифракционная структура в виде решетки для переориентации светового потока, который поступает внутрь панели по ее периметру. Структура в виде решетки выполнена таким образом, что соотношение площадей участка с решеткой и участка без решетки на единичной площади является переменным. Таким образом, решетка выполнена не на всей поверхности световода.
В данной схеме оказывается возможным обеспечить равную интенсивность выходящего светового потока за счет использования структуры решетки, которая имеет меньшую площадь вблизи источника света, чем на значительном удалении от него. Как следствие, представляется вероятным (особенно в случае панелей большого размера), что в данной схеме участки, занятые решеткой, будут располагаться столь редко, что это начнет сказываться на эффективности выведения светового излучения. Кроме того, данное изобретение ограничено плоскими структурами, которые способны только переориентировать световой поток от своей задней поверхности.
При этом недостатками всех известных структур является более или менее неравномерная освещенность, использование плоскостных (планарных) структур и очень низкая эффективность выведения излучения.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в существенно более эффективном решении вышеперечисленных проблем, т.е. в значительном совершенствовании уровня техники. Для того чтобы обеспечить решение указанной задачи, световая панель по настоящему изобретению характеризуется прежде всего тем, что выходная система, например структура в виде решетки или аналогичная ей, выполнена на всей световой поверхности панельного элемента, предназначенной для выведения света. Согласно изобретению расширяющиеся углубления или канавки различных размеров и/или форм образуют расходящиеся локальные решетки различных размеров и/или форм, таких как пикселы и/или элементы разнообразной формы или двоичные пикселы и/или элементы. При этом коэффициент заполнения, форма, профиль и размеры пикселов оптимизируются таким образом, чтобы дифракционная эффективность являлась функцией положения.
Наиболее важные преимущества, которые обеспечивает световая панель по настоящему изобретению, включают в себя простоту световой панели, эффективность и надежность в работе, поскольку благодаря изобретению оказывается возможным применять в качестве источника света светодиоды (СД) малой мощности. С другой стороны, благодаря использованию согласно изобретению световодной панели, основанной на принципе полного внутреннего отражения, появляется возможность оптимизации источника света по всем аспектам, поскольку оказывается возможным минимизировать нежелательные потери на отражение и другие световые потери. За счет реализации принципа, использованного в настоящем изобретении, становится возможным также сформировать предельно тонкие структуры, которые могут быть встроены в подложку, или же изготавливать гибкие или предварительно сформованные структуры, обеспечивающие условия для того, чтобы в панельном элементе не был превышен угол полного внутреннего отражения. Кроме того, изобретение позволяет сконструировать панельный элемент, имеющий, например, вид закрытой коробчатой структуры типа квадратной или трубчатой "ламповой колонки". В дополнение к этому становится возможным использовать световую панель по изобретению таким образом, что она активируется в одной или более из своих частей светом различных цветов, например с использованием СД с перестраиваемой длиной волны излучения, или многоцветных СД, или путем модифицирования интенсивности, рабочего напряжения или других параметров источника света.
Перечень чертежей
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1а и 1b иллюстрируют принцип действия одного из вариантов световой панели по настоящему изобретению.
Фиг.1с дополнительно иллюстрирует принцип активации световой поверхности световой панели по изобретению.
Фиг.2а, 2b и 3 поясняют некоторые принципы, связанные с полным внутренним отражением.
Фиг.4, 5, 6а и 6b иллюстрируют некоторые общие принципы входной системы, связанной со световой панелью по изобретению.
На фиг.7 представлена световая панель по изобретению, выполненная в виде световодной колонки.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Изобретение относится к световой панели, содержащей источник 1 света и панельный элемент 2. Панельный элемент изготавливается из, по существу, прозрачного материала для пропускания через него светового излучения. Панельному элементу придается форма световодной панели (см., например, фиг.1, на которой показаны две аналогичные световодные панели), причем световые пучки проходят внутри панели, испытывая полное внутреннее отражение, и выводятся из нее посредством дифракционной выходной системы. Выходная система 2u, в качестве которой используется структура в форме решетки или аналогичная ей, выполнена на всей световой поверхности 2а панельного элемента 2, предназначенной для выведения света. При этом расширяющиеся углубления или канавки различных размеров и/или форм образуют расходящиеся локальные решетки различных размеров и/или форм (например, типа А/В), таких как пикселы, и/или элементы разнообразной формы, или двоичные пикселы, и/или элементы. Коэффициент заполнения, форма, профиль и размеры пикселов оптимизируются в таком случае таким образом, чтобы дифракционная эффективность являлась функцией положения. Данный принцип построения поясняется фиг.1а-1с.
Разумеется можно варьировать размер, форму, коэффициент заполнения и/или профиль/структуру локальных элементов-решеток или сеток, расположенных в различных частях дифракционной структуры в продольном, поперечном или вертикальном направлениях.
Далее, как показано на фиг.1а, 1b, источник 1 света включает в себя один или более светодиодов (СД) 1а', взаимно смещенных по длине s панели. Светодиоды предназначены для активации односекционной (фиг.1b) или многосекционной (фиг.1а) световой поверхности 2а панельного элемента 2 светом, который вводится внутрь этого элемента. В вариантах выполнения, представленных на фиг.1b и 7, световая поверхность 2а ограничена по периметру пассивным элементом 2b. Ввод светового потока внутрь панельного элемента 2 обеспечивается, как это показано, например, на фиг.6b, посредством входной дифракционной системы 2s, расположенной на граничной поверхности R панельного элемента 2 и выполненной, например, как двоичный распределитель потока, локальная дифракционная структура, рассеиватель и/или аналогичное устройство, и/или, как это показано, например, на фиг.6а, посредством соответствующих геометрических контуров, выполненных на граничной поверхности R.
В варианте, представленном на фиг.1с, выходная дифракционная система 2u для панельного элемента 2, действующего по типу световодной панели, например локальная дифракционная или аналогичная ей структура, выполняется на нижней поверхности 2р панельного элемента 2. Разумеется эту систему можно выполнить и на верхней поверхности панельного элемента. Однако в последнем случае требуется наличие какого-либо защитного слоя или покрытия для обеспечения защиты системы от механических повреждений.
В другом варианте выполнения панельный элемент 2 изготавливается из тонкого прозрачного материала с толщиной, например, 0,1 - 4 мм и представляет собой, например, панель, лист или аналогичное изделие из полимерного, эластомерного или керамического материала. При этом входная система 2s предпочтительно располагается по его периметру Rr, как это показано, например, на фиг.6а и 6b.
В следующем предпочтительном варианте панельный элемент 2 изготавливается из гибкого или предварительно сформованного материала, причем световая поверхность 2а панельного элемента может быть активирована благодаря тому, что его локальная кривизны выбрана достаточно малой по всей его рабочей поверхности. В результате при распространении светового пучка внутри панельного элемента 2 пороговый угол полного внутреннего отражения не будет превышен.
Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения выходная дифракционная система 2u, активирующая подсвеченную световую панель, может быть выполнена таким образом, что панельный элемент 2 может иметь различный цвет в пределах одной или более секций. Прежде всего, этот вариант можно реализовать таким образом, что световая поверхность 2а световой панели 2 активируется с различной окраской благодаря наличию одного или более независимо управляемых источников света 1, 1а, излучающих различные цвета, в частности нескольких СД 1а', излучающих в красной/зеленой/синей/белой областях, или аналогичных источников. С другой стороны, такой результат может быть получен изменением интенсивности, напряжения питания и/или других параметров источника света или его составных элементов.
Как показано на фиг.6а, 6b, панельный элемент 2 снабжен поверхностью 3, взаимодействующей с излучением, например отражательной, рассеивающей и т.д., в целях подавления пучков, поступающих от дифракционной или аналогичной ей структуры выходной системы 2u и/или предотвращения образования заметных световых пятен.
Еще в одном варианте выполнения, представленном на фиг.7, световая панель выполнена в виде закрытой коробчатой структуры, такой как индикаторная колонка, и снабжена входной системой 2s в виде распределителя пучка или аналогичного элемента, расположенного на передней или на задней поверхности Rt панельного элемента 2 и выполненного с возможностью фокусировки света, испускаемого источником 1 света, причем свет распространяется внутри панельного элемента 2, испытывая полное внутреннее отражение.
Целесообразно привести следующие теоретические пояснения общего характера относительно полного внутреннего отражения со ссылкой на фиг.2а, где представлена световодная панель 2, обладающая показателем преломления n, значение которого превышает значение этого показателя для воздуха (n=1). Световой поток, излучаемый точечным источником, будет испытывать полное внутреннее отражение при условии, что угол 
его падения на граничную поверхность отвечает условию sin>1/n. Если угол падения меньше указанного значения, т.е. 
<arcsin(1/n), часть энергии, описываемой зонами Френеля, будет проникать через граничную поверхность. Если граничной является среда, отличная от воздуха, в приведенных выражениях показатель преломления, равный 1, должен быть заменен показателем преломления данной конкретной среды.
На фиг.1с представлено решение, согласно которому на нижней поверхности панельного элемента 2, действующего как световодная панель, выполнена, по меньшей мере, одна локальная периодическая структура или дифракционная решетка, действующая в качестве выходной системы 2u. Дифракционная решетка разделяет падающую плоскую волну, угол падения которой равен , на набор различных порядков дифракции, присутствующих как внутри, так и снаружи световодной панели.
Направления распространения дифрагированных потоков определяются из уравнения дифракционной решетки, а эффективности дифракционной решетки (характеризуемые долей падающего потока, распределяемого в соответствующий порядок дифракции) рассчитываются с учетом периода и формы дифракционного профиля. Вариант, представленный на фиг.1с, соответствует условию появления на выходе световода множества световых пучков. На двумерном изображении, представленном на фиг.1с, для простоты показано, что дифракционная поверхность 2u освещена с одного дискретного направления. Однако на практике эта поверхность будет освещена в пределах широкого интервала углов, поскольку внутри световода распространяется множество плоских волн, падающих на поверхность в пределах континуума углов . Для выбора профилей поверхности, обеспечивающих большое количество порядков дифракции с желательным распределением эффективности дифракции, может быть использована также точная электромагнитная теория дифракции.
Таким образом, при правильном выборе параметров профиля поверхности становится возможным получить именно те условия дифракции, которые показаны на фиг.1с и которые соответствуют преобладанию порядков отраженного излучения. При этом при наблюдении дифракционной поверхности 2u сквозь световодную панель 2 она будет представляться освещенной. Данный вариант позволяет избежать механических повреждений дифракционной поверхности. Естественно, эта поверхность может быть также защищена с помощью соответствующего защитного слоя, который наносится на верхнюю поверхность панельного элемента 2. Кроме того, в соответствии с вариантом выполнения, представленным на фиг.1с, желательно снабдить заднюю поверхность панельного элемента 2, функционирующего как световодная панель, так называемым рассеивателем для расширения и выравнивания углового распределения дифрагированного излучения, а также для изменения распространения пучков, ориентированных в неправильном направлении, с возвращением их внутрь панели.
Еще один существенный признак изобретения заключается в том, что посредством полного внутреннего отражения световое излучение как можно дольше удерживается внутри панельного элемента 2, действующего как световод. Это оказывается возможным, когда световой пучок, который должен быть введен внутрь световода, распространяется внутри него под углом, близким к углу полного внутреннего отражения. В случае, когда угол падения 
достаточно велик, полное внутреннее отражение имеет место, как это показано на фиг.2b, также от торцевых поверхностей, так что пучок пересекает структуру несколько раз прежде, чем он будет выведен за счет дифракции на выходных дифракционных решетках 2u. В тех зонах, где отсутствуют выходные решетки, в принципе отсутствуют и световые потери. В результате все световое излучение, которое было введено, испускается из требуемых освещенных зон, если не учитывать поглощения в материале элемента.
Как показано далее на фиг.3, имеется возможность в случае необходимости изгибать или формовать световодную поверхность при условии, что локальная кривизна выбирается в каждой точке достаточно малой с тем, чтобы угол падения не стал меньше предельного угла полного внутреннего отражения. Как видно из той же фиг.3, плоский световод может также без нарушения принципа полного внутреннего отражения предусматривать излом, соответствующий углу 90°.
На фиг.4 проиллюстрирован способ функционирования дифракционного элемента, который расположен на цилиндрической поверхности и действует в плоскости пучка, распространяющегося под произвольным углом 
. Поскольку желательно, чтобы все пучки распространялись в условиях полного внутреннего отражения, весьма желательно использовать вблизи оптической оси двоичный распределитель пучка, период которого зависит от положения (т.е. от координаты).
Тем же способом можно получить разумное количество слегка расходящихся пучков, распространяющихся внутри световодного элемента. На большем удалении от оптической оси становится невозможным сформировать посредством распределителя пучка два пучка (порядки дифракции +1 и -1), испытывающих полное внутреннее отражение. Поэтому предпочтительно применить локально линейную структуру решетки с тем, чтобы обеспечить желаемое отклонение, как это показано на фиг.5. В этом случае все световые пучки являются квазиколлимированными и распространяются в одном направлении, выбранном таким образом, что условие полного внутреннего отражения выполняется для всех пучков. Для этого требуется модификация периода локальной решетки на входной дифракционной поверхности как функции положения и применение протяженных поверхностных профилей для обеспечения высокой дифракционной эффективности.
Световая панель, представленная на фиг.7, выполнена в виде закрытой структуры коробчатого типа. Более конкретно, она имеет форму трубчатой "световой панельной колонки". В данном случае предпочтительно, чтобы ввод излучения в световод 2 был осуществлен, например, посредством распределителя 2s пучка на основе решеток при установке одного или нескольких светодиодов 1а' либо внутри, либо снаружи трубчатой колонки. В такой схеме осветители, устанавливаемые на различных колонках, могут быть подсвечены весьма простым и эффективным образом.
Очевидно, что изобретение не ограничивается описанными и проиллюстрированными вариантами его осуществления, а может модифицироваться различным образом без выхода за пределы базовой концепции изобретения. Прежде всего, коэффициент заполнения дифракционной выходной системы, представляющей собой, в частности, локальную решетку, может быть использован для обеспечения равномерного выведения света, поскольку дифракционная эффективность зависит от профиля решетки и ее формы. Кроме того, эффективность зависит от углов, под которыми производится вывод излучения, т.к. направления распространения и угловые характеристики светового пучка определяются уравнением дифракционной решетки. Оптимальный коэффициент заполнения в каждой ситуации может быть точно рассчитан с помощью компьютера. Входная или выходная дифракционные системы, такие как дифракционные структуры или решетки, могут быть построены с использованием не только расходящихся углублений и канавок, образующих структуры пикселов, но также двоичных пикселов. В последнем случае имеется отчетливо наблюдаемый перегиб (верхний угол), дно, а также углубление/канавка с длиной, модифицируемой от точечной до бесконечности.
Подобные структуры могут иметь плавные профили (контуры), которые могут варьироваться в широких пределах в отношении формы и размеров. Кроме того, источник света может представлять собой не только дискретное средство освещения, но и являться раствором, полностью интегрированным в элемент световой панели, служащий в качестве световода.
Естественно, подразумевается, что материал для панельного элемента, используемого как световод, может включать в себя целый ряд прозрачных материалов, в том числе стекло. Световодная система в соответствии с настоящим изобретением позволяет производить, в частности, световые панели с семью или более сегментами.
Формула изобретения
1. Световая панель, содержащая источник (1) света и панельный элемент (2), изготовленный из, по существу, прозрачного материала для пропускания через него светового излучения и выполненный в виде световодной панели, внутри которой световые пучки распространяются, испытывая полное внутреннее отражение, с выведением их из панели посредством выходной дифракционной системы, отличающаяся тем, что выходная система (2u) в виде структуры в форме решетки или аналогичная ей выполнена на всей световой поверхности (2а) панельного элемента (2), предназначенной для выведения света, причем расширяющиеся углубления или канавки различных размеров и/или форм использованы для образования расходящихся локальных решеток различных размеров и/или форм, таких, как пикселы и/или элементы разнообразной формы или двоичные пикселы и/или элементы, коэффициент заполнения, форма, профиль и размеры которых оптимизированы таким образом, чтобы дифракционная эффективность являлась функцией положения.
2. Световая панель по п.1, отличающаяся тем, что источник (1) света включает в себя один или более светодиодов (СД) (1а'), взаимно смещенных по длине (s) панели и служащих для активации панельного элемента (2) введенным внутрь него световым потоком, причем ввод светового потока обеспечивается посредством входной дифракционной системы (2s), расположенной на граничной поверхности (R) и выполненной как двоичный распределитель потока, локальная дифракционная структура, рассеиватель и/или аналогичное устройство, и/или посредством соответствующих геометрических контуров, выполненных на граничной поверхности (R).
3. Световая панель по п.1 или 2, отличающаяся тем, что панельный элемент (2) изготовлен из тонкого оптически прозрачного материала толщиной 0,1 - 4 мм и представляет собой, например, панель, лист или аналогичное изделие из полимерного, эластомерного или керамического материала, причем входная система (2s) расположена по его периметру (Rr).
4. Световая панель по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что панельный элемент (2) изготовлен из гибкого или предварительно сформованного материала, поверхность которого выполнена с возможностью активирования за счет выбора локальной кривизны по всему панельному элементу (2), достаточно малой для того, чтобы при распространении светового пучка внутри панельного элемента (2) пороговый угол полного внутреннего отражения не был бы превышен.
5. Световая панель по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что выходная дифракционная система (2u) для активации освещенного панельного элемента выполнена таким образом, что панельному элементу (2) в одной или более его секциях могут быть приданы различные цвета.
6. Световая панель по п.5, отличающаяся тем, что световая поверхность (2а) панельного элемента (2) выполнена активируемой в различные цвета с использованием одного или нескольких независимо управляемых источников света (1, 1а), излучающих различные цвета, в частности, нескольких СД (1а'), излучающих в красной/зеленой/синей/белой областях, или аналогичных источников и/или посредством изменения интенсивности, напряжения питания и/или других параметров источника света (1).
7. Световая панель по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что панельный элемент (2) снабжен отражательной, рассеивающей или иной поверхностью (3), взаимодействующей с излучением, в целях подавления пучков, поступающих от дифракционной или аналогичной ей структуры выходной системы (2и), или предотвращения образования заметных световых пятен.
8. Световая панель по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что выполнена в виде закрытой коробчатой структуры и снабжена входной системой (2s) в виде распределителя пучка или аналогичного элемента, расположенного на передней или на задней поверхности (Rt) панельного элемента (2) и выполненного с возможностью фокусировки света, испускаемого источником (1) света, для распространения внутри панельного элемента (2) в условиях полного внутреннего отражения.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11
