IT201900005374A1 - Dispositivo di illuminazione, impiegabile anche come proiettore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO DI ILLUMINAZIONE, IMPIEGABILE ANCHE COME PROIETTORE”

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo di illuminazione a LED, impiegabile anche come proiettore.

In termini generali, si definisce proiettore un apparecchio di illuminazione che impiega una sorgente luminosa e un sistema ottico per proiettare un fascio di luce intenso e ristretto e illuminare oggetti anche distanti. Un proiettore è dotato di un sistema ottico con un angolo di emissione stretto, in modo da concentrare la luce emessa dalla sorgente luminosa in un fascio concentrato.

Proprio per le sue caratteristiche, un proiettore si presta quindi, oltre che a scopi di illuminazione, alla proiezione su schermo di immagini fisse o in movimento.

Sebbene siano noti diversi sistemi ottici per proiettori, in generale i proiettori noti richiedono, per risultare pienamente efficienti, sistemi ottici relativamente complessi e/o ingombranti.

Inoltre, i proiettori noti richiedono generalmente un’elevata potenza elettrica alimentata (watt alla spina) per poter generare un’elevata intensità luminosa.

È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un dispositivo di illuminazione, impiegabile in particolare come proiettore, che consenta di superare gli inconvenienti della tecnica nota.

In particolare, è uno scopo dell’invenzione quello di fornire un dispositivo di illuminazione o proiettore estremamente compatto, semplice ed altamente efficiente, in grado di generare fasci luminosi stretti e concentrati con elevata efficienza e ingombri ridotti.

In particolare, è uno scopo dell’invenzione quello di fornire un dispositivo di illuminazione o proiettore caratterizzato da un elevato rapporto tra intensità luminosa e potenza elettrica e da dimensioni ridotte.

La presente invenzione è dunque relativa ad un dispositivo di illuminazione come essenzialmente definito nell’annessa rivendicazione 1 e, per i suoi aspetti preferiti, nelle rivendicazioni dipendenti.

Il dispositivo di illuminazione dell’invenzione risulta pienamente idoneo all’uso come proiettore, sia con funzioni di illuminazione, specificamente per illuminare oggetti in posizione remota (collocati a distanza dal proiettore), sia per la proiezione di immagini, pur risultando estremamente compatto.

Il dispositivo di illuminazione dell’invenzione è caratterizzato in particolare da un elevato rapporto tra intensità luminosa del fascio emesso e potenza elettrica alimentata.

Il dispositivo di illuminazione dell’invenzione è dunque estremamente compatto, semplice ed altamente efficiente, ed è in grado di generare fasci luminosi stretti e concentrati con cut-off netto.

In sintesi, il dispositivo di illuminazione dell’invenzione comprende una sezione di iniezione di luce, formata da una sorgente luminosa e da una lente di condensazione; e da una sezione proiettante, costituita da un’architettura ottica tipica di un telescopio galileiano con compensazione del cromatismo laterale, e da una lente di Barlow impiegata per il contenimento del track ottico.

Nell’uso come proiettore di immagini, la proiezione è quindi definita e a basso cromatismo laterale e qualsiasi forma iscrivibile nell’apertura della diapositiva è proiettabile e visibile con profilo netto.

Nella sezione di iniezione di luce, sorgente luminosa e lente di condensazione agiscono rispettando il principio di Köhler, ovvero la sorgente è immaginata nello stop (virtuale) del proiettore.

Si ottiene quindi il massimo rendimento del sistema col vincolo di illuminamento costante della proiezione e del contenimento dell’inviluppo ottico del fascio all’interno del diametro di tutti i diottri impiegati nel sistema di illuminazione; non esiste appunto emissione laterale di luce dalla diapositiva in poi con conseguente possibilità di impiegare un involucro esterno di contenimento trasparente.

Il sistema ottico del dispositivo di illuminazione dell’invenzione è inoltre (opzionalmente) zoomabile, ovvero la lunghezza focale effettiva è modulabile spostando la lente di Barlow, in modo che l’angolo di campo totale (full angle) possa variare, tipicamente anche di un fattore 2. La modulazione non inficia l’iniezione di luce nella sezione proiettante nel senso che l’inviluppo del fascio ottico non travalica in ogni caso i diametri dei diottri evitando comunque emissione laterale.

In sostanza, il dispositivo di illuminazione dell’invenzione integra e impiega schemi e principi ottici diversi, impiegati in genere individualmente per applicazioni specifiche. In particolare, il dispositivo di illuminazione dell’invenzione combina insieme i seguenti schemi e principi: schema classico di telescopio galileiano, schema di Barlow, schema di condensazione, principio di contrazione del track ottico, principio di Köhler.

In questo modo, il dispositivo di illuminazione dell’invenzione traduce un fronte d’onda sostanzialmente sferico (come tipico della sorgenti LED) in un fronte d’onda sostanzialmente (quasi) piano.

Combinando insieme schema di Köhler, lente di Barlow e obiettivo telescopico, il dispositivo di illuminazione dell’invenzione è in grado, in particolare, di proiettare un’immagine perfettamente definita pur con un ingombro molto contenuto.

Dal punto di vista prestazionale, il dispositivo di illuminazione dell’invenzione consente di ottenere, per esempio, un fascio di uscita caratterizzato da:

angolo di campo totale: da circa 1.9° a circa 4° intensità del fascio: fino a 12000 candela/watt (versioni da esterno)

track ottico (distanza tra superficie emissiva della sorgente luminosa e ultimo diottro del sistema ottico): inferiore/uguale a 120 mm (versione da interno); inferiore/uguale a 180 mm (versione da esterno)

Resta comunque inteso che i valori qui forniti sono puramente indicativi e il dispositivo di illuminazione dell’invenzione può operare con parametri diversi da quelli qui riportati a puro titolo esemplificativo.

L’invenzione è descritta in dettaglio nei seguenti esempi non limitativi di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:

– la figura 1 è una vista schematica laterale di un dispositivo di illuminazione in accordo al trovato;

– la figura 2 è una vista schematica laterale, con parti rimosse per chiarezza, del dispositivo di illuminazione di figura 1, con indicazione schematica di alcuni raggi luminosi.

Nelle figure 1 e 2 è indicato nel suo assieme con 1 un dispositivo di illuminazione, in particolare un proiettore che trova preferite (ma non esclusive) applicazioni nell’illuminazione di ambienti interni o esterni, in particolare per illuminare in maniera intensa e omogenea un oggetto remoto (posto cioè ad elevata distanza dal dispositivo), o nella proiezione di immagini.

Il dispositivo di illuminazione 1 si estende lungo e attorno a un asse A tra due estremità 2a, 2b longitudinali opposte e comprende una sezione di iniezione di luce 3 e una sezione proiettante 4, allineate lungo l’asse A.

Un involucro 5, mostrato a tratteggio e in forma puramente schematica in figura 1, supporta e contiene la sezione di iniezione di luce 3 e la sezione proiettante 4. In particolare, l’involucro 5 comprende una prima porzione 5a che alloggia e circonda la sezione di iniezione di luce 3, e una seconda porzione 5b che alloggia e circonda la sezione proiettante 4.

La sezione di iniezione di luce 3 è formata da una sorgente luminosa 9 a LED, comprendente uno o più LED 10, e da una lente di condensazione 11.

La sorgente luminosa 9 è collocata all’estremità 2a del dispositivo di illuminazione 1.

La sorgente luminosa 9 può includere un unico LED 10, o anche più LED 10, anche aventi spettri di emissione differenti.

Vantaggiosamente, la sorgente luminosa 9 include almeno un LED di potenza ad alta densità lumen/area emissiva, dell’ordine di qualche centinaio di lumen per mm2 di area emissiva (ad esempio, almeno 200, almeno 300 o anche più lumen/mm2).

La lente di condensazione 11 è conformata in modo da raccogliere e concentrare la luce emessa dalla sorgente luminosa 9 e generare un fascio di uscita concentrato.

Ad esempio, ma non necessariamente, la lente di condensazione 11 è una lente piano-convessa.

Nell’uso del dispositivo di illuminazione 1 come proiettore di immagini, la diapositiva (intesa in senso generale come immagine che si vuole proiettare) è collocata davanti alla lente di condensazione 11 (che è quindi interposta tra la sorgente luminosa 9 e la diapositiva da proiettare), su un piano P (piano della diapositiva da proiettare) perpendicolare all’asse A; eventualmente, l’involucro 5 è provvisto di una sede 12 interna disposta lungo il piano P e conformata per ricevere e supportare la diapositiva da proiettare.

Il piano P è collocato sostanzialmente tra la porzione 5a e la porzione 5b dell’involucro 5, ovvero delimita le porzioni 5a, 5b.

La sorgente luminosa 9 e la lente di condensazione 11 agiscono rispettando il principio di Köhler: la sorgente luminosa 9 è definita nello stop del proiettore.

La sezione proiettante 4 comprende un sistema ottico 13, formato da una lente di Barlow 14 e un obiettivo 15, allineati una all’altro e alla lente di condensazione 11 e alla sorgente luminosa 9 lungo l’asse A.

Nell’esempio illustrato (ma non necessariamente), l’asse A è un asse centrale del dispositivo di illuminazione 1 e definisce anche un asse ottico del sistema ottico 13 e del dispositivo di illuminazione 1 nel suo complesso.

La sorgente luminosa 9, la lente di condensazione 11, la lente di Barlow 14 e l’obiettivo 15 sono collocati in serie e allineati lungo l’asse A a partire dall’estremità 2a del dispositivo di illuminazione 1.

La lente di Barlow 14 è collocata tra la lente di condensazione 11 e l’obiettivo 15 e ha la funzione di contenere e delimitare il cosiddetto track ottico (cioè la distanza tra la superficie emissiva della sorgente luminosa 9 e l’ultimo diottro del sistema ottico 13), agendo da moltiplicatore di lunghezza focale.

In particolare, la lente di Barlow 14 è una lente divergente (a diottrie negative) conformata in modo da allungare la lunghezza focale del sistema ottico 13, percepita in particolare dall’obiettivo 15 collocato a valle della lente di Barlow 14 (senza necessità di allungare fisicamente il sistema ottico 13, cioè di aumentare le dimensioni del sistema ottico 13).

In sostanza, la lente di Barlow 14 aumenta la lunghezza focale dell’obiettivo 15.

La lente di Barlow 14 ha una faccia 14a rivolta verso la lente di condensazione 11 e una faccia 14b rivolta verso l’obiettivo 15. La lente di Barlow 14 e in particolare le sue facce 14a, 14b possono essere variamente conformate. Ad esempio, ma non necessariamente, nella forma di attuazione illustrata a puro titolo esemplificativo, la lente di Barlow 14 è una lente piano-concava, dove la faccia 14a rivolta verso la lente di condensazione 11 è piana e la faccia 14b rivolta verso l’obiettivo 15 è concava.

La lente di Barlow 14 può anche essere costituita da un doppietto di lenti.

L’obiettivo 15 è un obiettivo telescopico galileiano posto all’estremità 2b.

In particolare, l’obiettivo 15 è un obiettivo a rifrazione; nella forma di attuazione esemplificativa illustrata, l’obiettivo 15 è costituito da un doppietto formato da un menisco 16 concavo e da una lente 17 biconvessa, a contatto uno dell’altra.

L’obiettivo 16 può però essere conformato in modo differente e comprendere componenti ottici diversi da quelli qui citati a puro titolo esemplificativo.

Nell’esempio illustrato, ma non necessariamente, il menisco 16 ha una faccia 16a piana rivolta verso la lente di Barlow 14, e una faccia 16b concava in contatto con una prima faccia 17a convessa della lente 17; la lente 17 ha una seconda faccia 17b, opposta alla faccia 17a, definente una superficie di uscita del dispositivo di illuminazione 1.

La distanza tra la superficie emissiva della sorgente 9 e la superficie di uscita del dispositivo di illuminazione 1, definita nella fattispecie dalla faccia 17b della lente 17, costituisce il track ottico del dispositivo di illuminazione 1.

Vantaggiosamente, tutti i componenti ottici del sistema ottico 13, vale a dire la lente di Barlow 14 e l’obiettivo 15 (menisco 16 e lente 17), e preferibilmente anche la lente di condensazione 11 (e quindi tutti i componenti ottici impiegati nel dispositivo di illuminazione 1), sono realizzati in vetro.

In funzionamento del dispositivo di illuminazione 1 è, con riferimento anche alla figura 2, il seguente.

In uso, la luce emessa dalla sorgente luminosa 9 entra nella lente di condensazione 11, affacciata alla sorgente luminosa 9, e attraversa poi la sezione proiettante 4, da cui esce un fascio luminoso sostanzialmente collimato caratterizzato da elevata intensità e densità di illuminazione.

In questo modo si ottiene il massimo rendimento del sistema ottico 13 garantendo comunque un illuminamento costante della proiezione e il contenimento dell’inviluppo ottico del fascio luminoso emesso all’interno del diametro di tutti i diottri (superfici dei componenti ottici impiegati); non esiste emissione laterale di luce oltre il piano P (dove si colloca una eventuale diapositiva o comunque l’immagine da proiettare), con conseguente possibilità di realizzare la porzione 5b dell’involucro 5 (contenente il sistema ottico 13), a valle del piano P, in un materiale trasparente. La porzione 5b dell’involucro 5 ha quindi una parete laterale, disposta attorno all’asse A, almeno parzialmente trasparente alla luce.

Opzionalmente, il sistema ottico 13 è provvisto di un meccanismo di zoom 20, schematicamente mostrato in figura 1, configurato in modo da spostare assialmente (lungo l’asse A) la lente di Barlow 14 rispetto all’obiettivo 15, in modo da variare la lunghezza focale effettiva del sistema ottico 13; e rispetto alla eventuale diapositiva da proiettare.

Resta infine inteso che al dispositivo di illuminazione qui descritto ed illustrato possono essere apportate ulteriori modifiche e varianti che non escono dall’ambito delle annesse rivendicazioni.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1) di illuminazione, in particolare proiettore da illuminazione o per la proiezione di immagini, estendentesi lungo e attorno a un asse (A) tra due estremità (2a, 2b) longitudinali opposte e comprendente una sezione di iniezione di luce (3) e una sezione proiettante (4), allineate una all’altra lungo l’asse (A); la sezione di iniezione di luce (3) essendo formata da una sorgente luminosa (9) a LED, comprendente uno o più LED (10), e da una lente di condensazione (11); la sezione proiettante (4) comprendendo un sistema ottico (13), formato da una lente di Barlow (14) e un obiettivo (15), allineati una all’altro e alla lente di condensazione (11) e alla sorgente luminosa (9) lungo l’asse (A); e in cui la lente di Barlow (14) è collocata tra la lente di condensazione (11) e l’obiettivo (15) ed è conformata in modo da allungare la lunghezza focale del sistema ottico (13), in particolare dall’obiettivo (15) collocato a valle della lente di Barlow (14).
2. 2. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 1, in cui la lente di Barlow (14) è una lente divergente.
3. 3. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la sorgente luminosa (9) e la lente di condensazione (11) sono configurate in modo da agire secondo il principio di Köhler.
4. 4. Dispositivo di illuminazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la sorgente luminosa (9), la lente di condensazione (11), la lente di Barlow (14) e l’obiettivo (15) sono collocati in serie e allineati uno all’altro lungo l’asse (A).
5. 5. Dispositivo di illuminazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l’obiettivo (15) è un obiettivo telescopico posto a una estremità (2b) del dispositivo di illuminazione (1).
6. 6. Dispositivo di illuminazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l’obiettivo (15) è un obiettivo a rifrazione costituito da un doppietto formato da un menisco (16) concavo e da una lente (17) biconvessa, a contatto uno dell’altra.
7. 7. Dispositivo di illuminazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la lente di Barlow (14) e l’obiettivo (15), e preferibilmente anche la lente di condensazione (11), sono realizzati in vetro.
8. 8. Dispositivo di illuminazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un involucro (5) che supporta e contiene la sezione di iniezione di luce (3) e la sezione proiettante (4) e comprende una prima porzione (5a) che alloggia e circonda la sezione di iniezione di luce (3), e una seconda porzione (5b) che alloggia e circonda la sezione proiettante (4); detta seconda porzione (5b) essendo realizzata in un materiale trasparente.
9. 9. Dispositivo di illuminazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema ottico (13) è provvisto di un meccanismo di zoom (20) configurato in modo da spostare assialmente lungo l’asse (A) la lente di Barlow (14) rispetto all’obiettivo (15) e/o rispetto a una diapositiva da proiettare.
10. 10. Dispositivo di illuminazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la sorgente luminosa (9) include almeno un LED di potenza ad alta densità lumen/area emissiva, avente una densità di alcune centinaia di lumen per mm2 di area emissiva.