SK7342Y1 - Spôsob smerovania svetelného toku s požadovaným tvarom krivky svietivosti a kompaktný optomechanický LED modul - Google Patents

Abstract

Spôsob smerovania svetelného toku s tvarovanou krivkou svietivosti LED modulu je založený na tom, že emitované svetlo monochromatickým zdrojom LED s vlnovou dĺžkou ? je luminoforom transformované na biele svetlo s vlnovou dĺžkou ?0 =380 až 780 nm a následne je prestupom a/alebo odrazom, a/alebo rozkladom cez periodickú mechanickú povrchovú alebo objemovú nanoštruktúru s rozmermi 10-8 m až 10-7m už emitované s tvarovanou krivkou svietivosti. Kompaktný optomechanický LED modul je riešený tak, že k aspoň jednému monochromatickému zdroju (1) LED svetla je pridružený luminofor (2) a následne je pridružená periodická mechanická povrchová alebo objemová nanoštruktúra (3) s rozmermi 10-8 m až 10-7 m.

Description

Spôsob smerovania svetelného toku s požadovaným tvarom krivky svietivosti a kompaktný optomechanický LED modul (57) Anotácia:

Spôsob smerovania svetelného toku s tvarovanou krivkou svietivosti LED modulu je založený na tom, že emitované svetlo monochromatickým zdrojom LED s vlnovou dĺžkou Z je luminoforom transformované na biele svetlo s vlnovou dĺžkou λ₀ =380 až 780 nm a následne je prestupom a/alebo odrazom, a/alebo rozkladom cez periodickú mechanickú povrchovú alebo objemovú nanoštruktúru s rozmermi 10 ⁸ m až 10 ⁷m už emitované s tvarovanou krivkou svietivosti. Kompaktný optomechanický LED modul je riešený tak, že k aspoň jednému monochromatickému zdroju (1) LED svetla je pridružený luminofor (2) a následne je pridružená periodická mechanická povrchová alebo objemová nanoštruktúra (3) s rozmermi 10 ⁸ m až 10 ⁷ m.

SK 7342 Yí

SK 7342 Υ1

Oblasť techniky

Technické riešenie sa vo všeobecnosti týka konštrukcie kompaktných optomechanických plochých LED svetelných modulov ako svetelných zdrojov so spôsobom tvarovania kriviek svietivosti s ohľadom na rozmerovú minimalizáciu samotného svetelného zdroja. Technické riešenie patrí vo všeobecnosti do oblasti svetelnej techniky všeobecného osvetlenia.

Doterajší stav techniky

V súčasnosti sa vo svetelnej technike používa klasický prístup založený na tom, že svetelný tok vyžarovaný zo svetelného zdroja je kontrolovaný a smerovaný optickou časťou. Takouto časťou môže byť reflektor, refraktor, difúzor alebo šošovka. V prípade reflektora je svetelný zdroj umiestnený v ohnisku tvoriacej krivky reflektorovej plochy. Ostatné optické časti sú umiestnené pred svetelným zdrojom. Svetelný tok je smerovaný zákonom odrazu v prípade reflektoru a zákonom lomu v prípade refraktorov, šošoviek, difúzorov. Optické časti sú navrhované s prihliadnutím na rozmery svetelného zdroja. V prípade LED svetelných zdrojov, ktoré vyžarujú vo viditeľnej oblasti, dochádza ku konverzii vyžiareného spektra z P-N priechodu pomocou luminoforu, ktorý je nanesený priamo na čipe samotnej LED. Svetelnočinné časti svietidiel tvoria buď optické prvky, ako sú zrkadlá a šošovky, ktoré menia rozloženie svetelného toku zdrojov podľa optického zákona odrazu a lomu, alebo difúzory, ktoré menia rozloženie svetelného toku zdrojov prevažne rozptylom. Optické prvky sa vyrábajú z materiálov, ktoré sa vyznačujú zrkadlovým odrazom alebo priamym priestupom. Na výrobu difúzorov sa používajú rozptyľujúce materiály. Optické prvky menia rozloženie svetelného toku zdrojov vytvorením obrazu svietiaceho telesa svetelného zdroja, ktorého jas je všeobecne úmerný jasu použitého zdroja. Naproti tomu difúzory rozptyľujú svetlo celým svojím povrchom, ktorý má jas vo všetkých smeroch rovnaký, v prípade rovnomerného difúzora a podstatne nižší ako jas použitého zdroja. Svetelnočinné časti svietidiel sa rozdeľujú podľa svetelnotechnických vlastností materiálov, ktoré sa používajú na výrobu svietidiel, na reflektory, refraktory, difúzory. Reflektory sú zariadenia, ktoré menia rozloženie svetelného toku zdrojov podľa optického zákona odrazu. Menia rozloženie svetelného toku zdrojov vytvorením obrazu svietiaceho telesa svetelného zdroja. Napríklad úzkouhlé svietidlo vytvára v smere optickej osi svietidla obraz svietiaceho telesa použitého zdroja, ktorý zaberá značnú časť povrchu reflektora. Naopak, v ľubovoľnom inom smere má obraz svietiaceho telesa svetelného zdroja nepatrné rozmery. Podobne aj širokouhlé svietidlo vytvára v smere maximálnej svietivosti najväčší obraz svietiaceho telesa použitého zdroja. Odraz vlnenia alebo reflexia vzniká, ak sa prichádzajúce vlnenie dostane k rozhraniu dvoch prostredí. Na tomto rozhraní môže dôjsť k jeho odrazu späť do prostredia, z ktorého vlnenie prichádza. Refraktory sú zariadenia, ktoré menia rozloženie svetelného toku zdrojov podľa optického zákona lomu. Menia rozloženie svetelného toku zdrojov vytvorením obrazu svietiaceho telesa svetelného zdroja. Jas obrazu svietiaceho telesa svetelného zdroja, ktorý vytvára refraktorová plocha, je nerovnomerný. Tieto zariadenia sa používajú v prípade svietidiel s pološirokou krivkou svietivosti. Šošovka je homogénne izotropné prostredie, ohraničené dvoma guľovými plochami alebo guľovou plochou a rovinou. Je to predmet z priehľadného materiálu slúžiaci v optike alebo v iných prípadoch na ovplyvnenie šírenia svetla v širšom zmysle, t. j. viditeľného svetla, infračerveného a ultrafialového žiarenia. Šošovky sú najčastejšie sklenené, ale na ich výrobu sa bežne používajú aj plasty. Materiál šošovky je charakterizovaný indexom lomu, ktorý je vždy väčší ako jedna, a indexom absorpcie, ktorý je pre vlnové dĺžky v rozsahu použiteľnosti šošovky blízky nule. Nanotechnológie ukazujú veľký potenciál využitia aj v osvetľovacej technike. Využitie nanotechnológií vo forme tenkých vrstiev, ktoré upravujú spektrálne charakteristiky, sú známe aj využívané, ale sú pomerne drahé. Práve nanotechnológie umožnili zvýšenie účinnosti LED a ich možné využitie na osvetľovanie.

Nanotechnológie stále vykazujú veľký potenciál využitia v osvetľovacej technike, ktorý doteraz nebol plne využitý. To pomohlo vyriešiť problémy s tvarovaním kriviek svietivosti, zníženia rozmerov optiky, na zvyšovanie extrakcie generovaného svetla z LED a tak zvýšenia ich účinnosti dosiaľ netradičnými spôsobmi. Výsledkom tohto úsilia je ďalej opisovaný kompaktný optomechanický plochý LED svetelný modul so spôsobom tvarovania kriviek svietivosti.

Podstata technického riešenia

Technickým riešením sa rieši spôsob smerovania svetelného toku s požadovaným tvarom krivky svietivosti bez použitia rozmerných optomechanických častí, čím sa v podstatnej miere odstraňujú uvedené nedostatky LED svietidiel zo stavu techniky. Podstata spôsobu smerovania svetelného toku s požadovaným tvarom krivky svietivosti podľa technického riešenia spočíva v tom, že emitované svetlo monochromatickým zdrojom LED s vlnovou dĺžkou λ je luminoforom transformované na biele svetlo s vlnovou dĺžkou λ₀ = 380 až

SK 7342 Υ1

780 nm a následne je prestupom a/alebo odrazom, a/alebo rozkladom cez periodickú mechanickú povrchovú alebo objemovú nanoštruktúru s rozmermi 10‘⁸ m až 10-⁷ m už emitované s tvarovanou krivkou svietivosti. Tvarovanú krivku svietivosti emitovaného svetla monochromatického zdroja LED ovplyvňuje plošný alebo objemový rozmer a/alebo výška, a/alebo geometrický tvar periodickej mechanickej povrchovej alebo objemovej nano štruktúry.

Na základe spôsobu smerovania svetelného toku s požadovaným tvarom krivky svietivosti bol vytvorený kompaktný optomechanický LED modul podľa technického riešenia, ktorého podstata spočíva v tom, že k aspoň jednému vhodnému monochromatickému zdroju LED svetla je pridružený príslušný luminofor a následne je pridružená periodická mechanická povrchová alebo objemová nanoštruktúra s rozmermi 10’⁸ m až ΙΟ'⁷ m zabezpečujúca smerovanie svetelného toku do požadovaného smeru. Pritom periodická mechanická povrchová alebo objemová nanoštruktúra je vytvorená na svetlo prepúšťajúcom substráte, ktorým je napríklad priehľadný materiál ako sklo, polykarbonát, polymetylmetakrylát, polystyrén. Luminofor môže byť pritom nanesený na svetlo prepúšťajúcom substráte alebo na monochromatickom zdroji LED svetla. Luminofor zabezpečuje transformáciu napr. modrého svetla z LED svetelného zdroja na biele vo viditeľnej oblasti spektra λ₀ = 380 až 780 nm. Ako luminofor môže byť použitý napríklad fosfor alebo zmesi s obsahom fosforu, ktorý na báze luminescencie zabezpečuje požadovanú zmenu spektrálneho zloženia svetla, vyžiareného monochromatickým zdrojom LED svetla. Periodická mechanická povrchová nanoštruktúra je v jedných prípadoch reliéfna s modifikovaným povrchom. V druhých prípadoch periodická mechanická objemová nanoštruktúra má modifikovaný index lomu. Je možné použiť rôzne monochromatické zdroje LED, napr. s vlnovou dĺžkou λ = 450 až 490 nm pre modré svetlo alebo s vlnovou dĺžkou λ = 620 až 670 nm pre červené svetlo, alebo s vlnovou dĺžkou λ = 495 až 570 nm pre zelené svetlo. Kompaktný optomechanický LED modul podľa technického riešenia je možné pokryť ešte vrstvou napríklad TiO₂ s cieľom mechanickej ochrany nano štruktúry.

Kompaktným optomechanickým LED modulom je možné pomocou periodickej mechanickej povrchovej symetrickej alebo asymetrickej alebo objemovej symetricko-asymetrickej nanoštruktúry tvarovať krivky svietivosti LED modulu do cielených vhodných tvarov, napr. symetrická, asymetrická, široká, pološiroká, hlboká, sústredená, kosínusová a pod. Zmena rozloženia svetelného toku zo svetelného zdroja je dosahovaná zmenou rozmerov jednotlivých elementov štruktúry v pozdĺžnom aj priečnom smere aj zmenou výšky štruktúry a tiež plošným geometrickým tvarom, napr. štvorca, obdĺžnika, kruhu, trojuholníka alebo obecného nuholníka alebo aj objemových telies, ako je kocka, kváder, valec, ihlan a podobne.

Výhody konštrukcie kompaktných plochých LED svetelných modulov založené na spojení monochromatického zdroja svetla, spektrálne transformačného člena a mechanickej nanoštruktúry do jednoliateho celku s hladkým povrchom poskytujú variabilitu v konštrukcii osvetľovacích zariadení. Pomocou takejto konštrukcie je možné vyrábať veľmi kompaktné osvetľovacie zariadenia, ktorých optická časť bude v zanedbateľných rozmeroch. Táto technológia je využiteľná na tvorbu na tvarovanie krivky svietivosti, zníženia rozmerov optiky, na zvyšovanie extrakcie generovaného svetla z LED a tak zvýšenia jej účinnosti. Okrem toho výhody hladkých povrchov sú aj v oblasti udržiavacieho činiteľa a čistenie osvetľovacej sústavy je menej náročné než čistenie členitých častí klasických optických systémov.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Kompaktný plochý LED svetelný modul podľa tohto technického riešenia bude bližšie ozrejmený pomocou obrázkov, z ktorých na obrázku 1 je znázornené principiálne usporiadanie LED modulu. Na obrázku 2 je znázornený princíp transformácie svetla pomocou luminoforu. Na obrázku 3 je znázornená nanoštrukturovaná mriežka mechanickej nanoštruktúry. Na obrázku 4 je znázornená vytvorená krivka svietivosti typu dvojitá asymetria pomocou nanoštrukturovanej mriežky mechanickej nanoštruktúry. Na obrázku 5 je znázornená vytvorená krivka svietivosti typu pološiroká pomocou nanoštrukturovanej mriežky mechanickej nanoštruktúry. Na obrázku 6 je znázornená vytvorená asymetrická krivka svietivosti pre verejné osvetlenie pomocou nanoštrukturovanej mriežky mechanickej nanoštruktúry. Na obrázku 7 je znázornená vytvorená hlboká krivka svietivosti pomocou nanoštruktúrovanej mriežky mechanickej nanoštruktúry.

Predmet technického riešenia zobrazený na obrázkoch je predstavený len na ilustráciu, a nie ako obmedzenie konkrétnych realizácií.

Príklady uskutočnenia

Príklad 1

V tomto prípade konkrétneho uskutočnenia technického riešenia je opísaný spôsob smerovania svetelného toku s požadovaným tvarom krivky svietivosti bez použitia rozmerných optomechanických častí. Podstata

SK 7342 Υ1 spôsobu smerovania svetelného toku s požadovaným tvarom krivky svietivosti podľa technického riešenia spočíva v tom, že emitované svetlo monochromatickým zdrojom LED s vlnovou dĺžkou A je luminoforom transformované na biele svetlo s vlnovou dĺžkou λ = 380 až 780 nm, ako je to znázornené na obrázku 2. Následne je biele svetlo prestupom a/alebo odrazom, a/alebo rozkladom cez periodickú mechanickú povrchovú alebo objemovú nanoštruktúru s rozmermi 10’⁸ m až 10’⁷ m už emitované s tvarovanou krivkou svietivosti. Z obrázka 2 je zjavné, že Šíriace sa fotóny modrého svetla prechádzajú vrstvou fosforu, v závislosti od koncentrácie, narážajú na molekuly fosforu a interagujú s nimi. Takto fotón zaniká a odovzdá svoju energiu molekule, ktorá sa dostane zo základného do krátko trvajúceho excitovaného energetického stavu, kedy sú elektróny molekuly preusporiadané, no za krátky čas zaujmú pôvodný stav. Návrat do pôvodného základného stavu môže nastať nasledovnými cestami:

- elektrón môže spadnúť späť na pôvodnú hladinu a vyžiari fotón s rovnakou vlnovou dĺžkou (modrý), pričom smer vyžiarenia a šírenia fotónu je náhodný. Toto je mechanizmus rozptylu žiarenia (svetla);

- fotón sa môže pri prechode na základnú hladinu zachytiť na nižších hladinách. Takýto prepad elektrónu na nižšie hladiny je sprevádzaný vyžarovaním tzv. fonónov, ktoré spôsobujú zvýšenie teploty fosforu;

- fotón sa môže sklznuť na nižšie hladiny, z ktorých následné preskočí na základnú hladinu, pričom posledný preskok je sprevádzaný vyžiarením fotónu s dlhšou vlnovou dĺžkou (zelený až červený), čo závisí od veľkosti skĺznutia. Celkove takto vyžarované svetlo sa potom môže javiť ako žlté;

- fotóny s dlhšou vlnovou dĺžkou môžu byť dostatočné energetické, aby podstúpili proces skĺznutia a vygenerovali fotón s dlhšou vlnovou dĺžkou, napr. zelený fotón takto môže byť konvergovaný na červený fotón;

- fotóny s dlhšou vlnovou dĺžkou tiež podstupujú rozptyl ako v procese spadnutia.

Príklad 2

Na základe spôsobu smerovania svetelného toku s požadovaným tvarom krivky svietivosti bol vytvorený kompaktný optomechanický LED modul podľa technického riešenia, ktorého podstata spočíva v tom, že k vhodnému monochromatickému zdroju 1 LED svetla s vlnovou dĺžkou λ = 450 až 490 nm pre modré svetlo je pridružený luminofor 2 z fosforu a následne je pridružená periodická mechanická povrchová symetrická nanoštruktúra 3 s rozmermi rádovo 10’⁸ m, ako je to znázornené na obrázku 1. Pritom periodická mechanická povrchová nanoštruktúra 3 je vytvorená na svetlo prepúšťajúcom substráte 4, ktorým je v tomto prípade priehľadný materiál - sklo, pričom alternatívne môže byť použitý polykarbonát alebo polymetylmetakrylát, alebo polystyrén. Luminofor 2 je nanesený na svetlo prepúšťajúci substrát 4. Periodická mechanická povrchová nanoštruktúra 3 je reliéfna s modifikovaným povrchom pravouhlej mriežky, ako je to znázornené na obrázku 3. Táto periodická mechanická povrchová nanoštruktúra 3 takto smeruje svetelný tok do tvaru krivky svietivosti LED modulu do požadovaného smeru ako je to znázornené na obrázku 4. Zmenou veľkosti periodickej mechanickej povrchovej symetrickej nanoštruktúry 3 s rozmermi rádovo 10'⁷ m možno dosiahnuť smerovanie svetelného toku do tvaru krivky svietivosti LED modulu znázornenej na obrázku 5. Kompaktný optomechanický LED modul podľa technického riešenia je pokrytý ešte vrstvou TiO₂ s cieľom mechanickej ochrany nanoštruktúry 3. Obdobne, zmenou výšky a tvaru periodickej mechanickej povrchovej symetrickej nanoštruktúry 3 s rozmermi rádovo 10’⁸ m možno dosiahnuť smerovanie svetelného toku do tvaru krivky svietivosti LED modulu znázornenej na obrázku 7. Alternatívne je možné tvarovať krivky svietivosti LED modulu do cielených vhodných tvarov, napr. symetrická, asymetrická, široká, pološiroká, hlboká, sústredená, kosínusová a pod. Zmena rozloženia svetelného toku zo svetelného zdroja je dosahovaná zmenou rozmerov jednotlivých elementov štruktúry v pozdĺžnom aj priečnom smere, aj zmenou výšky štruktúry.

Príklad 3

V tomto príklade predstavovaný kompaktný optomechanický LED modul podľa technického riešenia obsahuje periodickú mechanickú povrchovú nanoštruktúru 3, ktorá je reliéfna s modifikovaným povrchom, ktorá je v jednej časti vyžarovacej plochy symetrická a v druhej časti vyžarovacej plochy asymetrická, čím sa dosiahne smerovanie svetelného toku do tvaru krivky svietivosti LED modulu znázornenej na obrázku 6. Alternatívne je možné použiť aj periodickú mechanickú objemovú nanoštruktúru 3.

Priemyselná využiteľnosť

Spôsob smerovania svetelného toku s tvarovanou krivkou svietivosti a kompaktný optomechanický LED modul predstavuje technológiu využiteľnú v osvetľovacej technike.

Claims (16)

1. Spôsob smerovania svetelného toku s tvarovanou krivkou svietivosti LED modulu, vyznaču

SK 7342 Υ1 júcí sa tým, že emitované svetlo monochromatickým zdrojom LED s vlnovou dĺžkou λ je luminoforom transformované na biele svetlo s vlnovou dĺžkou λ₀ = 380 až 780 nm a následne je prestupom a/alebo odrazom, a/alebo rozkladom cez periodickú mechanickú povrchovú alebo objemovú nanoštruktúru s rozmermi 10‘⁸ m až 10‘⁷ m už emitované s tvarovanou krivkou svietivosti.

2. Spôsob smerovania svetelného toku s tvarovanou krivkou svietivosti LED modulu podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že tvarovanú krivku svietivosti emitovaného svetla monochromatického zdroja LED ovplyvňuje plošný rozmer a/alebo výška, a/alebo geometrický tvar periodickej mechanickej po vrchovej alebo objemovej nanoštruktúry.

3. Kompaktný optomechanický LED modul, vyznačujúci sa tým, že k aspoň jednému monochromatickému zdroju (1) LED svetla je pridružený luminofor (2) a následne je pridružená periodická mechanická povrchová alebo objemová nanoštruktúra (3) s rozmermi 10’⁸ m až 10’⁷ m.

4. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že periodická mechanická povrchová alebo objemová nanoštruktúra (3) je vytvorená na svetlo prepúšťajúcom sub stráte (4).

5. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že luminofor (2) je nanesený na svetlo prepúšťajúci substrát (4).

6. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že luminofor (2) je nanesený na monochromatickom zdroji (1) LED svetla.

7. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že pe riodická mechanická povrchová nanoštruktúra (3) je reliéfna s modifikovaným povrchom.

8. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že pe riodická mechanická objemová nanoštruktúra (3) má modifikovaný index lomu.

9. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci monochromatický zdroj LED má vlnovú dĺžku λ = 450 až 490 nm.

10. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci monochromatický zdroj LED má vlnovú dĺžku λ = 620 až 670 nm.

11. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci monochromatický zdroj LED má vlnovú dĺžku λ = 495 až 570 nm.

12. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že sa tým, že sa tým, že sa tým, že luminofor (2) je fosfor alebo zmesi s obsahom fosforu.

13. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že pe riodická mechanická povrchová alebo objemová nanoštruktúra (3) je symetrická na celej vyžarovacej ploche.

14. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že periodická mechanická povrchová alebo objemová nanoštruktúra (3) je asymetrická na celej vyžarovacej ploche.

15. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že periodická mechanická povrchová alebo objemová nanoštruktúra (3) je v jednej časti vyžarovacej plochy symetrická a v druhej časti vyžarovacej plochy asymetrická.

16. Kompaktný optomechanický LED modul podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že periodická mechanická povrchová alebo objemová nanoštruktúra (3) má plošný geometrický tvar štvorca a/alebo obdĺžnika, a/alebo kruhu, a/alebo trojuholníka, a/alebo obecného n-uholníka.