ДЕКОРАТИВНЫЙ СВЕТИЛЬНИК Российский патент 1995 года по МПК F21P1/02 

Предлагаемое изобретение относится к области светотехники.

Известен декоративный светильник НСБ 02-60-156 (Объединение "Луч", С.П. б, ГОСТ 8607-82), в котором для получения декоративного эффекта использованы окрашенные полупрозрачные рассеиватели, представляющие собой почти лоские фигуры с криволинейным контуром. Эти небольшие детали сочетаются с полупрозрачными белыми рассеивателями, закрывающими с боков источник света, имеющими площадь в несколько раз большую, чем окрашенные рассеиватели. Недостатками этого светильника являются недостаточный декоративный эффект из-за малой яркости красок и небольшой прозрачности окрашенных деталей и недостаточная эргономика из-за малых размеров светового поля под светильником, имеющего хорошую освещенность, из-за малой освещенности основной части внешнего пространства и наличия теней от окрашенных рассеивателей и деталей конструкции.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому светильнику является светильник НСБ 72-60-086, в котором для создания декоративного эффекта использованы окрашенные стеклянные прозрачные рассеиватели, имеющие грани для получения участков рассеивателя с различной яркостью и для получения широких пучков рассеянного света во внешнем пространстве.

Недостатками этого изделия являются небольшие размеры окрашенных рассеивателей по сравнению с непрозрачными деталями светильника, снижающие декоративный эффект, и наличие больших теней от непрозрачных пластин, в которые вставлены рассеиватели, и от других деталей конструкции, что снижает эргономику светильника.

Целью предлагаемого изобретения является создание декоративного светильника с разнообразной цветовой картиной и с повышенной эргономикой. Цель достигается тем, что в светильнике, содержащем источник света и рассеиватель, в качестве рассеивателя используется рельеф на поверхности диэлектрической пластины или пленки, на котором происходит дифракционное рассеяние проходящего или отраженного света, и который содержит поверхность раздела между различными оптическими средами и состоят из фигур, повторяющихся в определенном порядке и создающих поверхность раздела, дающий в результате дифракции монохроматические окрашенные пучки света и цветовую картину, видимую в пределах рельефа, и который состоит из двух или более областей, каждая из которых имеет такое расположение фигур, что линии, соединяющие последовательно их точки, имеющие одинаковое местоположение на фигурах, являются прямыми или близкими к прямым линиями; при этом каждая область содержит в себе сотню или более фигур или их частей; при этом каждая область имеет трансляционную симметрию в одном направлении и/или зеркальную симметрию относительно одной или двух плоскостей с таким допущением, что при операции симметрии наложение фигур рельефа или их частей приводит к частичному их несовпадению, при котором сечение фигур или их частей плоскостью, расположенной вдоль рельефа, могут не совпадать на площади, составляющей не более 30% от площади самих сечений фигур или их частей; причем фигуры рельефа или их части одной области отличаются от таковых соседней области размером и/или формой, расстоянием между ними, ориентацией элементов симметрии.

На фиг.1 показан светильник (при этом рассматривается только рассеиватель, пропускающий свет, так как рассмотрение отражающего рассеивателя аналогично приведенному), в каркасе которого закреплены источник света 1, например, лампа накаливания, и стеклянные пластины 2, имеющие на своей поверхности рельеф, который содержит поверхность раздела между двумя (или более) различными оптическими средами. Рельеф является совокупностью повторяющихся фигур, на которых происходит рассеивание света, что и дает нужный эффект дифракции первого, второго и дальнейших спектральных порядков. Часть света от точки источника, например, пучки света 3 и 4, падает на область 5 и 6, имеющие различную геометрию, и дифрагирует на фигурах рельефа 7 и 8 (фиг.2 и фиг. 3). Лучи (узкие пучки) света в веерообразных пучках 3 и 4 падают в каждой области под несколько разными углами к поверхности (точнее к плоскости, располагаемой вдоль рельефа).

Эти углы падения находятся в некотором интервале ϕ ± Δ ϕ , поэтому углы дифракции к-го порядка (см. далее) будут тоже находиться в некотором интервале Ψ_к ± Δ Ψ_к , но веерообразный характер дифрагированных пучков 9, 10, 11, 12 (падающий пучок дает множество расходящихся пучков, что не показано) будет сохраняться. Для каждой области однозначное соотношение между ϕ и Ψ для какой-либо длины волны света λ_x определяется геометрией ее рельефа и не зависит от места падения пучка на области. Для плоской волны ϕ и Ψ_к являются постоянными в пределах области, хотя Ψ_к будут различными для разных λ . Это свойственно рельефу, в котором все одинаковые точки (физически это небольшие участки) повторяющиеся на фигурах рельефа, лежат на прямых или близких к прямым линиях, что имеет место при неизменном расположении фигур относительно друг друга в пределах области, (углы между касательными к такой линии не должны в пределах области превышать значения 8-10 градусов, что зависит от конкретной задачи рассеяния), Для плоской волны следует, что монохроматические пучки каждого порядка, исходящие из всей плоской области (или ее части), будут иметь постоянное сечение и будут расходиться между собой. Для веерообразного потока света от малого источника дифрагированные пучки являются расходящимися. Для дифрагированного света имеет место локальное схождение (возможно и пересечение) узких пучков, направления которых идут по одну сторону от плоскости, секущей плоскость падения лучей и плоскость рельефа под прямым углом (эти пучки направлены в к одному участку границы области). Такие схождения возможны только для пучков различных порядков для одной λ или для пучков с различными λ . Количество схождений намного увеличивается для протяженного источника, хотя преобладающим является и в этом случае расхождение суммарного потока света во всем окружающем пространстве, что и характеризует излучение из области. Следует заметить, что около поверхности области (на расстояниях порядка ее размеров) пересекаются и сходятся пучки, идущие к разным сторонам границы области, но эта небольшая зона не влияет на освещенность предметов около светильника.

Само явление дифракции (см. Борн М. и Вольф Э. Основы оптики. М., 1970) на повторяющихся фигурах рельефа объясняется интерференция узких пучков света, идущих под определенным углом к рельефу (точнее - к плоскости, лежащей вдоль рельефа) от одинаковых малых участков (точек) фигур, например, точек 13 и 14 на рисунках 2 и 3, эти точки имеют на фигурах одно и то же местоположение. Эти углы дифракции Ψ должны удовлетворять в совокупности с углом падения ϕ требованию синфазности световых колебаний монохроматического света в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения; причем из этого требования следует, что узкие пучки от различных точек фигур могут иметь разность хода лучей в 1,2,3... длины волны, λ_x эти целочисленные множители называются порядком спектра К, и каждому К соответствует свой угол Ψ_к.

Широкий пучок от области может быть образован из серии суммарных пучков, каждый из которых идет от определенного набора одинаковых точек.

В одном направлении могут идти широкие пучки с одной и той же λ_x , но различных порядков спектра, если для них различны углы падения ϕ ; так же могут идти в одном направлении пучки с различными λ при одном и том же угле ϕ, но разных порядков. Интенсивность света широкого пучка зависит от количества узких пучков, составляющих его, т.е. от количества одинаковых малых участков фигур, что зависит от количества фигур и определяется, как и значения углов Ψ_к. , геометрией рельефа, а именно размерами, формой, взаимным расположением фигур. Эти геометрические параметры определяют дифракционную структуру, которой и является рельеф, если не учитывать влияния его границ. Эти параметры определяют все параметры дифрагированного света.

Следует иметь ввиду, что при разделении рельефа на области фигуры, протяженные в каком-либо направлении гораздо больше, чем в других направлениях, могут быть разделены на части границей областей, ориентированной вдоль малого размера фигуры или близко к нему. Это условная линия разреза, если бы существовала физически, не влияла бы фактически на дифракцию ввиду малости такого отрезка линии. Поэтому можно говорить при выделении области рельефа о частях фигур, входящих в области. Размеры фигур или их частей составляют обычно несколько МКМ, как и расстояния между ними, для получения эффективной дифракции. Увеличение размеров фигур снижает эту эффективность для наших целей (уменьшает углы дифракции и часто - интенсивность пучков с определенной площади области); желательное уменьшение размеров ограничено возможностями технологии.

Форма фигур обуславливает в основном взаимную ориентацию дифрагированных пучков и влияет на распределение интенсивности между пучками различных порядков. Величину дисперсии определяет наименьшее расстояние между одинаковыми точками фигур области (это шаг структуры при наличии трансляций).

Свойства симметрии, характеризующие упорядочение в области (например, периодичность) обуславливают наличие четкого дифракционного рассеяния, обладающего той или другой симметрией.

Трансляция в одном направлении вдоль выделенной плоскости или зеркальная симметрия относительно одной или двух плоскостей являются той минимальной симметрией, которая определяет необходимый геометрический порядок фигур в области, обеспечивающей существование четко ориентированных дифракционных пучков и ярко выраженной цветовой картины.

Структура может быть одномерной, когда дифракция зависит от одного расстояния между соседними фигурами, и - двумерной, когда дифракция зависит от двух таких параметров, отсчитанных в двух направлениях (обычно взаимно перпендикулярных). Фигуры одномерных структур имеют один большой размер, часто сравнимый с размером области, который не влияет на дифракцию.

Этот размер может быть поделен на части, как указано выше, при разделении рельефа на области. Другой, малый размер в совокупности с расстоянием между фигурами, отсчитанными в направлении малого размера, определяет дифракционные свойства структуры (например, шаг в спектральной дифракционной решетке), Сумму этих малых параметров назовем размером структуры. Дифракционное расстояние в одномерных структурах происходит в направлениях, проекции которых на выделенную плоскость, вдоль которой расположены фигуры, лежат вдоль или вблизи малого размера структуры.

Для этих структур угол дифракции определяется простой формулой
sinϕ +sinΨ_к= , где величины имеют указанные обозначения, а l - размер структуры.

Изменения геометрических размеров фигур не должны превышать 20% от средних размеров, а нарушение свойств симметрии при операции симметрии не должны приводить к такому частичному совпадению двух плоских сечений фигур, при котором сумма площадей несовпадающих сечений фигур, при котором сумма площадей несовпадающих сечений фигур составляет свыше 30% от площади всего сечения фигуры.

Нарушение указанных пределов приводит к резкому ослаблению цветовой картины и появлению большого фона диффузного рассеяния, что снижает декоративный эффект. Углы дисперсии используемых в данном техническом решении систем находятся в пределах от нуля вплоть до 90^о. Эти углы лежат для одномерных структур в плоскости, перпендикулярной большим размерам фигур (вдоль малого размера), так что параллельно этой плоскости находится множество расходящихся веерообразных пучков.

Углы дисперсии выбираются из требования той или иной степени разделения цветов спектра, то есть выбираются на основании заданной цветной картины (чем больше угол Ψ , тем контрастнее цветовая картина при имеющихся угловых размерах источника).

Цветовая картина в пределах области имеет конфигурацию, соответствующую параметрам области, и содержит в силу дисперсии при дифракции весь спектр излучения источника. Сочетание различных конфигураций картин отдельных областей дает возможность получить разнообразные сложные картины в пределах рельефа.

На цветность картины влияют угловые размеры источника света, определяемые по отношению к фигуре области; и если эти угловые размеры, отсчитанные для одномерной структуры в плоскости углов дифракции, превышают , то цветовая картина может потерять декоративный эффект из-за смешивания цветов. Кроме цветности картины величина дисперсии определяет ширину светового поля. Ограничения, в увеличении дисперсии связаны с ограниченными возможностями любой технологии прецизионной литографии по разрешающей способности, которая в настоящее время составляет единицы мкм, т.е. ограничивает уменьшение размеров структуры до нескольких мкм.

Получение разнообразной цветовой картины и повышение эргономики поясняется с помощью фиг.4 На фиг.4 протяженный источник света 15 показан в разрезе в плоскости чертежа в виде отрезка линии. Остальные части светильника показаны в разрезе или лежащими в плоскости чертежа (или параллельно ей), На прозрачной пластине или слое 16 расположен одномерный рельеф 17, включающий две области.

Источник предпочтительно расположен так, что любые два луча света от его крайних точек, попадающие на любую точку системы заключены в угол, не превышающий.

На области 18 и 19 попадают пучки лучей 20, 21, 22, 23 от двух крайних точек источника и пучок 24 от какой-либо точки источника. Пучки 25, 26, 27, 28, 29, 30 света, дифрагированного под углом, и пучки прямо прошедшего света 31, 32, 33, 34 имеют во внешнем пространстве пересечения как сказано выше (зона плотного пересечения вблизи системы обозначена штрихами). Световое поле имеет две площадки 35 и 36, первая из которых ограничена на плоскости лучами от всех крайних точек (например лучи 20, 21, 22, 23), вторая площадка 36 образована всеми дифрагированными пучками, выходящими за пределы площадки 35.

Как видно из фиг.4, множество пучков света, значительно различающихся по направлениям распространения, перекрываются в зоне, заштрихованной на чертеже, на расстоянии от пластины (или слоя) порядка размеров рельефа. Прямо прошедшие пучки (нулевого порядка) 31 32 с одной стороны и 33 34 с другой стороны ограничивают площадку 35 светового поля (обозначенную широкой полосой), которая была бы световым полем светильника при той же его геометрии, но без рельефа 17. Расширение поля для одномерной структуры происходит вдоль выделенной плоскости дисперсии, и площадка 36 расширения превосходит площадку 35 для имеющихся рельефов в несколько раз, при этом дифрагированные под углом пучки перекрывают и площадку 35. Ввиду отсутствия ограничения на углы дифракции Ψ можно уменьшить образование теней от деталей конструкции. На площадке 36 перекрытие пучков различной длины волны и различных порядков менее плотно чем в зоне, выделенной штрихами, так как в любом месте площадки сходятся только пучки, направления которых (углы дифракции) отличаются друг от друга ненамного.

Освещенная от одной области площадка 36 имеет поэтому неравномерность освещенности и окраску. Наличие другой области (или областей) в результате наложения дополнительных пучков выравнивает освещенность и уменьшает окраску площадки 36. Кроме того, ввиду различной ориентации элементов симметрии областей 18 и 19 углы дифракции исходящих от них пучков 25, 26, 27, 28, 29, 20 лежат в различных, непараллельных плоскостях; поэтому их световые поля в совокупности расширяют площадку 36 в плоскости, перпендикулярной чертежу. При использовании областей с двумерной структурой перераспределение света отличается от рассмотренного тем, что распространение пучков происходит под углами дифракции, лежащими в веерообразно расположенных плоскостях, перпендикулярных к выделенной плоскости области и площадка 36 охватывает площадку 35 со всех сторон для любой области. Выравнивание освещенностей и уменьшение цветовых пятен при наложении полей от различных областей происходит аналогично рассмотренному.

Возможность увеличения неоднородности освещенности в некоторых местах площадки 36 за счет сложения минимумов и максимумов соответственно от разных областей может быть для подавляющей части площадки 36 устранена подбором параметров структур. При вариации этих параметров изменяется не только распределение пучков в пространстве, но и их относительные интенсивности. Перераспределение интенсивностей между пучками различных порядков дает возможность видеть цветную картину различных конфигураций при наблюдении рассеивателя от различных точек пространства, что увеличивает разнообразие цветовой картины. Т.о., совокупность различных областей позволяет получить общую разнообразную по конфигурации и окраске цветовую картину, а полученные углы дисперсии позволяют получить широкое, достаточно однородное световое поле, которое не перекрывается тенями от деталей светильника, что повышает эргономику светильника. При реализации предлагаемых рельефов наиболее приемлемой технологией в настоящее время является высокоразрешающая технология фотолитографического травления, широко применяемая в микроэлектронике. Она содержит последовательно следующие технологические операции: изготовление эталонного (и далее рабочего) фотошаблона; подготовка и очистка поверхности пластины (при подготовке может быть нанесен слой, который будет травиться в дальнейшем); нанесение защитной маски фоторезиста; экспонирование фоторезиста ультрафиолетовым светом через фотошаблон; проявление фоторезиста; травление поверхности пластины через отверстия в маске фоторезиста соответствующим травящим раствором до необходимой глубины рельефа; снятие фоторезиста с последующей очисткой поверхности рельефа.

По этой технологии были получены рельефы на площадях 200х200 мм с размером фигур 4-10 мкм, дающие неперекрывающиеся по спектру цветовые картины от ламп накаливания и широкими углами дифракции до 85^о.

Использование: в светотехнике и может быть использовано в декоративных целях при освещении помещений. В качестве рассеивателя в светильнике используется система элементов, на которых происходит дифракция проходящего или отраженного света, дающая цветовую картину; причем система элементов содержит две или более группы элементов или частей элементов, каждая из которых включает в себя сотню или более элементов или их частей, при этом группа обладает трансляционной симметрией в одном направлении и/или зеркальной симметрией относительно одной или двух плоскостей с таким допущением, что при операции симметрии наложение контуров элементов или их частей приводит к частичному несовпадению фигур, ограниченных контурами, при котором площади несовпадающих частей фигур составляют в сумме не более 30% от площади фигуры, причем элементы или их части какой-либо группы отличаются от таковых соседней группы размером и/или формой, расстоянием между ними, ориентацией элементов симметрии, причем угловые размеры источника ограничены. 4 ил.

ДЕКОРАТИВНЫЙ СВЕТИЛЬНИК, содержащий источник света и рассеиватель, отличающийся тем, что рассеиватель выполнен в виде рельефа на поверхности диэлектрической пластины или пленки, на котором происходит дифракционное рассеяние проходящего или отраженного света и который содержит поверхность раздела между различными оптическими средами и состоит из фигур, повторяющихся в определенном порядке вдоль указанной поверхности, дающий в результате дифракции окрашенные пучки света и цветовую картину, видимую в пределах рельефа, и который состоит из двух или более областей, каждая из которых выполнена с таким расположением фигур, что линии, соединяющие последовательно их точки, имеющие одинаковое местоположение на фигурах, являются прямыми или близкими к прямым линиям, при этом каждая область выполнена с сотней или более фигур или их частей, при этом каждая область выполнена с трансляционной симметрией в одном направлении и/или зеркальной симметрией относительно одной или двух плоскостей с таким допущением, что при операции симметрии наложение фигур рельефа или их частей приводит к частичному их несовпадению, при котором сечения фигур или их частей плоскостью, расположенной вдоль рельефа, могут не совпадать по площади, составляющей не более 30% от площади самих сечений фигур или их частей, причем фигуры рельефа или их части одной области отличаются от тактовых соединений области размером и/или формой, расстоянием между ними, ориентацией элементов симметрии.