РАССЕИВАТЕЛЬ СВЕТА Российский патент 1994 года по МПК F21V1/20 F21V11/06 

Изобретение относится к светотехнике, конкретно к декоративным светильникам.

Известен рассеиватель для бытовых люминесцентных светильников [1], представляющий пластину из пластмассы, выполненную волнообразно, которая, будучи окрашена в какой-либо цвет, создает декоративный эффект, сохраняя эргономический эффект рассеивателей более простой формы, сводящийся к уменьшению слепящего действия и перераспределению светового потока. Наилучшим образом декоративный эффект достигается набором пластин с разными цветами окрашивания.

Недостатками такого декоративного рассеивателя являются неполное устранение слепящего действия источников света, большое поглощение света в окрашенных пластинах, недостаточность декоративного эффекта из-за неполного присутствия всей цветовой гаммы видимого света, снижение эргономических качеств светильников из-за окрашивания освещаемых объектов.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности является стеклянное изделие [2], являющееся по существу рассеивателем света.

Рассеиватель представляет собой подвеску светильников, в котором для увеличения декоративного эффекта за счет увеличения дисперсии белого света предлагается преимущественно хрустальный элемент с более сложной огранкой, чем обычно употребляемые граненые элементы (подвеска и др.).

Недостаток изделия состоит в том, что хотя дисперсия света на гранях этого изделия больше, чем в более простых аналогичных рассеивателях, но остается ограниченной из-за малого изменения показателя преломления материала в интервале видимого спектра.

Кроме того, недостатком предложенного рассеивателя является невозможность существенно устранить слепящее действие источника света, так как практически невозможно полностью перекрыть весь прямой поток света от источника с помощью набора таких элементов.

Целью изобретения является увеличение декоративного эффекта и повышение эргономических качеств рассеивателя.

Цель достигается тем, что рассеиватель света, содержащий средство дисперсии света, в качестве средства дисперсии света содержит двумерную дифракционную фазовую структуру, работающую в проходящем или отраженном свете, глубина элементов (далее для краткости называемая глубиной структуры) которой для прозрачной структуры равна половине оптимальной длины волны света, деленной на величину, равную разности показателей преломления сред, заполняющих соседние объемы элементов структуры, дополняющие друг друга до полного объема структуры; причем глубина элементов отражающей структуры вдвое меньше глубины элементов аналогичной прозрачной структуры; при этом оптимальная длина волны света определяется наибольшей величиной произведения спектральной плотности излучения на спектральную световую эффективность; а плотность расположения элементов структуры определяется нужной цветностью видимых на структуре окрашенных фигур, создаваемых пучками дифрагированного света; причем максимальная плотность расположения элементов структуры (далее для краткости - плотность структуры) ограничена допускаемым регулярным уменьшением вплоть до 0 наименьшего расстояния между границами соседних элементов структуры, лежащего на внешней поверхности структуры; при этом сумма площадей поверхностей в глубине структуры, лежащих вдоль расположения элементов, не должна отличаться от суммы площадей внешних поверхностей, параллельных поверхностям в глубине структуры и дополняющих последние более чем вдвое.

На фиг. 1 изображены протяженный источник 1 света, который может быть любым из широко используемых источников, угловые размеры излучающей части которого не превышают рад; рассеиватель 2 света в разрезе со сформированной на его поверхности фазовой структурой 3 (последняя может быть сформирована внутри объема рассеивателя, но этот случай отдельно не рассматривается ввиду полной аналогии действия такой структуры рассматриваемой), пучки 4, 5 света, падающего на рассеиватель, и пучки 6, 7, 8 света дифрагированного (среди них пучок 6 - прямо прошедший свет, т.е. пучок нулевого порядка). При этом угол падения косых пучков 5 не должен превышать преимущественно из-за возрастания отраженного от рассеивателя света. Структура 3 содержит две среды 9 и 10, относящиеся к разным элементам (среда 10 часто является воздухом). Структура 3 имеет внутренние 11 и внешние 12 поверхности. Поверхности 12 двух сред 9 и 10 дополняют друг друга до сплошной; в дальнейшем для удобства рассматриваются внешние поверхности 12 среды 9, которые являются при проекции на плоскость, касательную к внутренним поверхностям 11 (касательную хотя бы к трем поверхностям), дополнительными к поверхностям 11 (наличие или отсутствие сплошной среды 10 в виде какого-либо материала определяется выбранной технологией).

На фиг. 1 показаны боковые поверхности 13, которые в дальнейшем относят к элементу структуры 14, обозначенному как углубление; далее показаны скругления 15, являющиеся переходом от внутренних поверхностей 11 к боковым поверхностям 13, и скругления 16, как переходы от поверхностей 12 к боковым поверхностям 13.

На фиг. 2 изображен график 17 спектрального распределения плотности энергии пучков 6 (нулевого порядка) в относительных единицах, получаемых делением спектральной плотности прошедшего пучка к таковой для подающего для рассматриваемых двумерных структур. Здесь же показан график 18 распределения произведения спектральной плотности энергии пучков 6 (в относительных единицах) на спектральную световую эффективность.

График 19, аналогичный графику 18, показывает последнее распределение для источника света с линейчатым спектром.

На фиг. 3 показано образование зон 20-22 различной цветности в окрашенных фигурах на структуре при освещении источником, имеющим достаточные угловые размеры. Каждая исходная фигура 23, 24, 25 образована пучком монохроматического или квазимонохроматического света.

При попадании света на структуру с любой стороны (на фиг. 1 свет проходит сначала через пластину рассеивателя) происходит дифракционное рассеяние света в виде квазимонохроматических пучков под определенными углами дифракции, равными arccos(K) для прямых пучков, где K - порядок пучка; λ - длина волны пучка; T - период структуры.

Пучки дают окрашенные фигуры при воздействии света на структуры на поверхности рассеивателя, размер и форма которых зависят как от угловых размеров и формы источника, так и от размеров и формы элементов структуры.

При этом гасятся пучки 6. Это объясняется тем, что свет, падающий на структуру, разделяется на две группы в пучках 6 (на фиг. 1 эти две группы показаны как лучи, оканчивающиеся соответственно на поверхностях 11 и 12); эти две группы дифрагируют соответственно на двух группах поверхностей, внутренних 11 и внешних 12. Эти группы отстоят друг от друга на расстоянии, равном глубине структуры d. Глубина определяется формулой
d = , где λ_опт - оптимальная длина волны, определяемая по максимальному значению графика 18 или 19;
n₁ и n₂ - коэффициенты преломления двух сред.

Глубина может быть больше указанной в формуле, составляя 3d, 5d и т.д., что вытекает из периодичности световой волны. Практически выгоднее пользоваться наименьшей глубиной, так как при этом соотношение ширины элемента к его глубине имеет наибольшее значение, что дает большое преимущество при изготовлении изделия любыми методами. Суммарные площади поверхностей 11 и 12 должны быть примерно одинаковыми в оптимальном случае, но на практике допустимым может быть отношение 1:2. Разность фаз для указанных двух групп пучков близка к π и зависит от длины волны света и угла падения светового потока на структуру. Эта разность фаз приводит к взаимному гашению двух групп пучков. Уровень гашения зависит, следовательно, от спектрального состава света источника, уменьшаясь в обе стороны от максимума, отнесенного к λ_опт, что и показывает график 18. Интегрирование величины, отображенной графиком 18, по спектру дает долю пропускания прямо прошедшего света, что и определяет снятие слепящего эффекта источника.

Указанные спектральные зависимости хорошо соблюдаются для предлагаемых структур, на что указывает отсутствие окрашивания остаточного, прямо прошедшего света при использовании ламп накаливания.

Для источников с линейчатым спектром глубина структуры выбирается в соответствии с наибольшим значением на графике 19 (точнее с учетом среднего взвешенного для ряда наиболее интенсивных линий, расположенных рядом).

При косом падении пучков (что всегда имеет место для широко используемых источников) условия гашения нарушаются, так как разность хода пучков 6 (фиг. 1) увеличивается из-за деления величины d (n₁-n₂) на косинус угла преломления, точное соответствие глубины будет уже для другой длины волны. Поэтому при косых пучках гашение несколько ослабляется. По этой причине и по другим причинам (в том числе при отклонениях глубины структуры на несколько % от заданной) гашение в реальных структурах происходит на уровне 50-95% энергии света.

В отношении цветности картины большое значение имеют угловые размеры источника, определяющие при имеющейся плотности расположения элементов степень наложения фигур (фиг. 3) и, следовательно, цветность различных участков картины. При определенном источнике выбор углов дифракции и, следовательно, плотности структуры дает возможность широко варьировать цветность от мягких тонов (малые углы дифракции и, соответственно, малая плотность структуры) до ярких и чистых цветов спектра (максимальная плотность структуры при точечном источнике).

Получение наибольшей плотности ограничено возрастающей ролью в рассеянии света наклонных боковых поверхностей 13 и скруглений 15 (фиг. 1), так как их количество растет пропорционально плотности структуры. Размеры их почти не зависят от плотности.

Наклон боковых поверхностей элементов и наличие скруглений неизбежны при наиболее доступных технологиях.

Роль первых сводится к возникновению потока зеркального отражения и преломления части света, как это показано на заштрихованной части пучков 4 и 5; что при наблюдаемом достаточно регулярном их расположении в полученных структурах дает малозаметную добавочную дифракционную картину и фон. Влияние боковых поверхностей зависит от угла падения пучков сложным образом, так как участие различных участков боковой поверхности в образовании добавочного рассеяния зависит от их расположения относительно косых пучков. Скругление краев элементов дает добавочный почти равномерный фон картины. Общий фон, возникающий указанным путем, дает возможность лучше воспринимать контуры рисунков, наносимых на рассеиватель с целью обогащения общей картины.

Для полученных структур добавочное рассеяние от наклонных поверхностей и скруглений (дефекты структуры) не влияет заметно на основную картину дифракции вплоть до величины шага структуры 3,0-3,5 мкм, когда практически сходятся наклонные боковые поверхности на участках с кратчайшим расстоянием между соседними поверхностями 13 соседних элементов структуры 14 (фиг. 1).

Кроме указанного влияния этих дефектов реальной структуры, они приводят к нарушению равенства суммарных площадей на двух уровнях структуры, уменьшая площадь внешних поверхностей 12, что приводит к ослаблению гашения пучков 6 (фиг. 2). При полном схождении боковых поверхностей в наиболее узких местах такое нарушение приводит уже к уменьшению средней глубины структуры, а это уменьшение не должно быть больше нескольких % от заданной глубины, так как дифракционная картина иначе будет нарушена и не сохранен нужный уровень гашения.

Если оценивать приближенно энергетическую долю в рассеянии указанных дефектов, то она будет равна отношению площади проекции суммы их поверхностей на плоскость, параллельную внутренним 11 и внешним 12 поверхностям, к общей площади последних. Эта доля не должна превышать 20 - 30%. При рассмотрении взаимосвязи глубины структуры, кратчайших расстояний между соседними элементами, размерами дефектов шаг двумерной структуры (расстояние между центрами соседних элементов) в двух направлениях остается неизменным. Но его можно выбрать таким, чтобы его соотношение с размерами элементов было оптимальным для получения наибольшей плотности структуры при соблюдении нормы на влияние дефектов. Наиболее простым и чувствительным критерием при достижении наибольшей плотности структуры является расстояние по внешней поверхности между соседними элементами, поскольку относительное уменьшение его наиболее сильно зависит от величины дефектов, а сведение его к нулю приводит к уменьшению средней глубины структуры.

Учет взаимозависимости основных параметров структуры и указанных дефектов позволяет получить оптимальные для поставленной задачи структуры.

Более строгое рассмотрение дифракции на реальных структурах требует расчетов волнового фронта, что чрезвычайно трудоемко и для приложения к поставленной задаче - создать декоративный рассеиватель, удовлетворяющий требованиям эргономики, - нецелесообразно. Полученные в разработке двумерные структуры на площадях размером до 300 мм при использовании ламп накаливания, ртутных и галогенных газоразрядных ламп, люминесцентных ламп позволят достигнуть указанные цели предлагаемого изобретения.

Помимо технического результата, заключающегося в увеличении декоративного эффекта и повышении эргономики, в предлагаемом рассеивателе потери света по сравнению с известными рассеивателями, способными ослабить в реальной конструкции в достаточной степени слепящий эффект, сведены к нескольким процентам, так как кроме потерь на отражение от двух поверхностей пластины рассеивателя и на создание слабого фона, который может быть полезным, другие потери отсутствуют.

Технология изготовления предлагаемого изделия базируется на комплексах технологических приемов, употребляемых в прецизионной литографии (могут употребляться и другие методы, например, тиснение и прессовка), что обеспечивает сравнительно низкую стоимость рассеивателя.

Примером конкретной реализации предложенных структур является структура, сформированная на стекле методом химического травления. Она представляет собой ямки с круглым контуром, глубиной около 0,5 мкм, диаметром 2,8 мкм, с шагом 4 мкм в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Гашение прямо проходящего света составляет не менее 80%. Фон рассеяния не превышает 3-5% от падающего света. Дифракционная картина представляет собой восемь одинаковых ярких ненакладывающихся фигур, соответствующих пучкам первого порядка, и увеличивающееся число фигур с постепенным спадом яркости, которые соответствуют пучкам высших порядков. Диаметр структуры 200 мм.

Использование: в светотехнике, конкретно в декоративных светильниках. Рассеиватель света содержит в качестве средства дисперсии света двумерную дифракционную фазовую структуру, работающую в проходящем или отраженном свете, глубина элементов которой для прозрачной структуры равна половине оптимальной длины волны света, деленной на величину, равную разности показателей преломления сред, заполняющих соседние объемы элементов структуры, дополняющие друг друга до полного объема структуры, причем глубина элементов отражающей структуры вдвое меньше глубины элементов аналогичной прозрачной структуры, при этом оптимальная длина волны света определяется наибольшей величиной произведения спектральной плотности излучения на спектральную световую эффективность, а плотность расположения элементов структуры определяется нужной цветностью видимых на структуре окрашенных фигур, создаваемых пучками дифрагированного света, причем максимальная плотность расположения элементов структуры ограничена допускаемым регулярным уменьшением вплоть до нуля наименьшего расстояния между границами элементов структуры, лежащего на внешней поверхности структуры, при этом сумма площадей поверхностей в глубине структуры, лежащих вдоль расположения элементов, не должна отличаться от суммы площадей внешних поверхностей, параллельных поверхности в глубине структуры и дополняющих последние более чем вдвое. 3 ил.

РАССЕИВАТЕЛЬ СВЕТА, содержащий средство дисперсии света, отличающийся тем, что средство дисперсии света выполнено в виде двумерной дифракционной фазовой структуры, работающей в проходящем или отраженном свете, глубина элементов которой для прозрачной структуры равна половине оптимальной длины волны света, деленной на величину, равную разности показателей преломления сред, заполняющих соседние объемы элементов структуры, дополняющие друг друга до полного объема структуры, причем глубина элементов отражающей структуры вдвое меньше глубины элементов аналогичной прозрачной структуры, при этом оптимальная длина волны света определяется наибольшей величиной произведения спектральной плотности излучения на спектральную световую эффективность, а плотность расположения элементов структуры выбирается в зависимости от нужной цветности видимых на структуре окрашенных фигур, создаваемых пучками дифрагированного света, причем максимальная плотность расположения элементов структуры ограничена допускаемым регулярным уменьшением вплоть до нуля наименьшего расстояния между границами соседних элементов структуры, лежащего на внешней поверхности структуры, при этом сумма площадей поверхностей в глубине структуры, лежащих вдоль расположения элементов, не должна отличаться от суммы площадей внешних поверхностей, параллельных поверхностям в глубине структуры и дополняющих последние более чем вдвое.