Патент на изобретение №2349947

(54) ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области техники, а именно к осветительным системам, и может быть применено в различных проекционных устройствах. Задачей заявленного изобретения является снижение веса, сложности изготовления и размера осветительной системы, а также повышение оптической эффективности системы. Осветительная система содержит три группы светоизлучающих диодов (СИД), каждая из которых имеет: единую светоизлучающую поверхность и выполнена с возможностью излучения рассеянного света одного цвета; три оптических концентратора, каждый из которых имеет входную поверхность, боковую поверхность и выходную поверхность и выполнен с возможностью сбора, коллимации и смешивания света соответствующей группы СИД на выходной поверхности; два дихроичных фильтра, выполненных с возможностью объединения света от трех групп СИД; освещаемую поверхность и объектив переноса, выполненный с возможностью переноса света с выходных поверхностей оптических концентраторов, прошедшего дихроичные фильтры, на освещаемую поверхность, причем входная поверхность каждого оптического концентратора расположена на расстоянии от светоизлучающей поверхности соответствующей группы СИД, дихроичные фильтры скрещены, а объектив переноса выполнен с возможностью формирования изображений выходных поверхностей оптических концентраторов в плоскости, которая находится на расстоянии более чем 0.05Н от освещаемой поверхности, где Н – минимальная апертура освещаемой поверхности. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предложенное изобретение относится к области оптики, а именно к осветительным системам, и может быть применено в различных проекционных устройствах, например в проекторах и проекционных телевизорах.

В настоящее время широкое распространение получили осветительные системы на основе цветных светоизлучающих диодов (СИД) (как правило, используется сочетание красного, синего и зеленого цветов) с оптическими концентраторами и специальными средствами для объединения света от групп СИД.

Известна осветительная система (см. опубликованную заявку на патент Японии №2000-180962 [1]), которая содержит три группы СИД красного, зеленого и синего цвета и обеспечивает однородное освещение освещаемой поверхности при помощи трех оптических концентраторов, расположенных напротив групп СИД, средства объединения света от групп СИД, выполненного в виде дихроичного куба, и объектива переноса, проецирующего свет на освещаемую поверхность, являющуюся рабочей поверхностью светового модулятора. Недостаток данной осветительной системы заключается в использовании дихроичного куба, который имеет значительный вес, дорог в изготовлении и по оптическому пропусканию уступает дихроичным фильтрам.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является осветительная система, описанная в выложенной заявке США №20070064202 [2], включающая в себя три группы светоизлучающих диодов (СИД), каждая из которых имеет единую светоизлучающую поверхность и выполнена с возможностью излучения рассеянного света разных цветов; три оптических концентратора, каждый из которых имеет входную поверхность, боковую поверхность и выходную поверхность и выполнен с возможностью сбора, коллимации и смешивания света соответствующей группы СИД, причем входная поверхность оптического концентратора соединена с соответствующей светоизлучающей поверхностью соответствующей группы СИД; средство объединения света от трех групп СИД и объектив переноса, выполненный с возможностью проецирования света с выходной поверхности оптических концентраторов на освещаемую поверхность, которой служит входная поверхность оптического волокна, при этом изображение выходной поверхности оптического концентратора соответствует по размеру освещаемой поверхности оптического волокна. В качестве средства объединения света от трех групп СИД в системе используют два расположенных последовательно, параллельных между собой дихроичных фильтра, которые имеют меньший вес и стоимость изготовления по сравнению с дихроичным кубом, кроме того, отличаются лучшим пропусканием. Данная система выбрана в качестве прототипа заявленного изобретения.

Недостаток прототипа состоит в том, что дихроичные фильтры расположены на расстоянии друг от друга, что увеличивает размер системы, а также требует использования большего количества элементов для сохранения высокой оптической эффективности, что приводит к увеличению веса и стоимости всей системы. Кроме того, тот факт, что входная поверхность оптического концентратора объединена со светоизлучающей поверхностью СИД, снижает оптическую эффективность всей системы, так как для лучей, поступающих в оптический концентратор под большими углами, на боковых поверхностях не выполняется условие полного внутреннего отражения. Эти лучи не достигают освещаемой поверхности, что снижает эффективность всей системы в целом.

Задачей заявленного изобретения является снижение веса, сложности изготовления и размера осветительной системы, а также повышение оптической эффективности системы.

Поставленная задача решена за счет использования скрещенных дихроичных фильтров в качестве средства объединения света от трех групп СИД и уменьшения неоднородности распределения света на освещаемой поверхности, вызванной неоднородностью пропускания света скрещенными дихроичными фильтрами за счет объектива переноса, который проецирует свет с выходной поверхности оптического концентратора в плоскость, находящуюся на расстоянии более чем 0.05Н от освещаемой поверхности, где Н – минимальная апертура освещаемой поверхности, при этом освещенная зона превышает по размерам освещаемую поверхность, а также за счет того, что входная поверхность оптического концентратора располагается на фиксированном расстоянии не менее 0,01 мкм от излучающей поверхности СИД.

Технический результат достигается путем создания осветительной системы, содержащей три группы светоизлучающих диодов (СИД), каждая из которых имеет:

– единую светоизлучающую поверхность и выполнена с возможностью излучения рассеянного света одного цвета;

– три оптических концентратора, каждый из которых имеет входную поверхность, боковую поверхность и выходную поверхность и выполнен с возможностью сбора, коллимации и смешивания света соответствующей группы СИД на выходной поверхности;

– два дихроичных фильтра, выполненных с возможностью объединения света от трех групп СИД;

– освещаемую поверхность и объектив переноса, выполненный с возможностью переноса света с выходных поверхностей оптических концентраторов, прошедшего дихроичные фильтры, на освещаемую поверхность, причем входная поверхность каждого оптического концентратора расположена на расстоянии от светоизлучающей поверхности соответствующей группы СИД, дихроичные фильтры скрещены, а объектив переноса выполнен с возможностью формирования изображений выходных поверхностей оптических концентраторов в плоскости, которая находится на расстоянии более чем 0.05Н от освещаемой поверхности, где Н – минимальная апертура освещаемой поверхности.

Для функционирования осветительной системы важно, чтобы оптический концентратор имел боковую поверхность, которая расположена под углом более 90 градусов к входной поверхности.

Для функционирования осветительной системы важно, чтобы группы СИД излучали красный, зеленый и синий свет.

Для функционирования осветительной системы важно, чтобы освещаемая поверхность представляла собой рабочую поверхность микрозеркального светового модулятора.

Для функционирования осветительной системы важно, чтобы форма входной поверхности оптического концентратора и форма выходной поверхности оптического концентратора повторяли форму освещаемой поверхности.

Для функционирования осветительной системы важно, чтобы выходная поверхность оптических концентраторов была сферической.

Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующим чертежом, на котором изображена схема осветительной системы, выполненная согласно изобретению.

Заявленная осветительная система 1 (см. чертеж), предназначенная для освещения освещаемой поверхности 2, содержит три группы 3 СИД, излучающих рассеянный свет разных цветов, каждая группа СИД имеет единую светоизлучающую поверхность 4; три оптических концентратора 5, каждый оптический концентратор состоит из входной поверхности 6, боковых поверхностей 7 и выходной поверхности 8 и выполнен с возможностью сбора, коллимации и смешивания света на выходной поверхности 8; два скрещенных дихроичных фильтра 9, выполненных с возможностью объединения света от разных групп СИД; объектив 10 переноса, выполненный с возможностью переноса изображения с выходной поверхности 8 на поверхность 11, находящуюся на расстоянии D от освещаемой поверхности 2.

Входная поверхность 6 оптического концентратора 5 расположена на расстоянии от светоизлучающей поверхности 4, что обеспечивает эффективный сбор и коллимацию света от СИД, так как на входной поверхности 6 свет от СИД преломляется, при этом угловая апертура света уменьшается тем сильнее, чем выше значение показателя преломления материала, из которого выполнен оптический концентратор. В результате весь свет, поступивший в оптический концентратор, испытывает полное внутреннее отражение на боковой поверхности оптических концентраторов и коллимируется выходной поверхностью 8 оптического концентратора 5, которую предлагается выполнить в виде выпуклой сферической поверхности. Боковая поверхность 7 оптического концентратора 5 расположена под углом более 90 градусов по отношению к входной поверхности 6 оптического концентратора 5 для обеспечения коллимации и смешивания света.

Дихроичные фильтры 9 имеют неоднородное пропускание. Если красный фильтр изготовлен из одной пластины стекла, а синий фильтр изготовлен из двух пластин стекла, во всех каналах будет нерабочая зона фильтров, толщина этой зоны соответствует толщине стеклянных пластин, из которых изготовлены фильтры. Для снижения влияния неоднородности пропускания дихроичных фильтров на однородность освещенности освещаемой поверхности 2 необходимо сместить плоскость 11 объектива переноса 10 относительно освещаемой поверхности 2.

Если освещаемая поверхность 2 имеет минимальную апертуру Н, плоскость 11 расположена на расстоянии более чем 0.05Н от освещаемой поверхности 2 для обеспечения однородности освещения.

В одном из вариантов выполнения изобретения оптический концентратор имеет боковую поверхность 7, которая расположена под углом более 90 градусов к входной поверхности 6.

В одном из вариантов выполнения изобретения группы СИД 3 излучают красный, зеленый и синий свет.

В одном из вариантов выполнения изобретения освещаемая поверхность 2 представляет собой рабочую поверхность микрозеркального светового модулятора.

В одном из вариантов выполнения изобретения форма входной поверхности 6 оптического концентратора и форма выходной поверхности 8 оптического концентратора повторяют форму освещаемой поверхности 2.

В одном из вариантов выполнения изобретения выходная поверхность 8 оптических концентраторов 5 сферическая.

Заявленная осветительная система обеспечивает высокую оптическую эффективность (более 35%) с угловой апертурой NA=0.25 и однородностью более 80%.

Заявленная осветительная система может применяться в проекционных устройствах с большой апертурой.

Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Осветительная система, содержащая три группы светоизлучающих диодов (СИД), каждая из которых имеет

единую светоизлучающую поверхность и выполнена с возможностью излучения рассеянного света одного цвета;

три оптических концентратора, каждый из которых имеет входную поверхность, боковую поверхность и выходную поверхность и выполнен с возможностью сбора, коллимации и смешивания света соответствующей группы СИД на выходной поверхности;

два дихроичных фильтра, выполненных с возможностью объединения света от трех групп СИД;

освещаемую поверхность и объектив переноса, выполненный с возможностью переноса света с выходных поверхностей оптических концентраторов, прошедшего дихроичные фильтры, на освещаемую поверхность, причем входная поверхность каждого оптического концентратора расположена на расстоянии от светоизлучающей поверхности соответствующей группы СИД, дихроичные фильтры скрещены, а объектив переноса выполнен с возможностью формирования изображений выходных поверхностей оптических концентраторов в плоскости, которая находится на расстоянии более чем 0.05 Н от освещаемой поверхности, где Н – минимальная апертура освещаемой поверхности.

2. Осветительная система по п.1, отличающаяся тем, что оптический концентратор имеет боковую поверхность, которая расположена под углом более 90 градусов к входной поверхности.

3. Осветительная система по п.1, отличающаяся тем, что группы СИД излучают красный, зеленый и синий свет.

4. Осветительная система по п.1, отличающаяся тем, что освещаемая поверхность представляет собой рабочую поверхность микрозеркального светового модулятора.

5. Осветительная система по п.1, отличающаяся тем, что форма входной поверхности оптического концентратора и форма выходной поверхности оптического концентратора повторяют форму освещаемой поверхности.

6. Осветительная система по п.1, отличающаяся тем, что выходная поверхность оптических концентраторов выполнена сферической.

РИСУНКИ