IT201900009681A1 - Sistema di proiezione di immagini - Google Patents
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Description
Sistema di proiezione di immagini
Riassunto
Oggetto dell’invenzione è un sistema di proiezione di immagini comprendente una sorgente luminosa a LED e un gobo realizzato da un vetro borosilicato, o un vetro ceramico o un substrato di vetro di quarzo (supporto per la formazione di immagini), che riduce la variazione di temperatura di colore della sorgente a LED e previene l'accorciamento della vita del LED dovuta alla luce retroriflessa dal gobo.
Ciò avviene applicando una superficie nanostrutturata o microstrutturata ingegnerizzata di colore grigio, sul lato del gobo rivolto verso la sorgente luminosa, che riflette una parte della luce che non attraversa il gobo e riduce la luce retroriflessa dal gobo verso la sorgente LED. Questa luce riflessa può riscaldare il modulo LED, portando a cambiamenti della temperatura di colore e ad una durata abbreviata della vita del modulo LED stesso.
1. Campo dell'invenzione
La presente invenzione riguarda un sistema di proiezione di immagini comprendente una sorgente luminosa a LED e un gobo realizzato da un vetro borosilicato, o un vetro ceramico o un substrato di vetro di quarzo. Nelle applicazioni per il settore dell’entertainement, il supporto per la formazione di un’immagine è detto GOBO. Oggetto dell’invenzione è un sistema di proiezione di immagini comprendente una sorgente luminosa a LED e un gobo, che riduce la variazione di temperatura di colore della sorgente a LED e previene l'accorciamento della vita del LED dovuto alla luce retroriflessa dal gobo
2. Stato dell’arte.
Esistono vari sistemi di proiezione che utilizzano un LED bianco (fig.1) come sorgente luminosa.
Il gobo è costituito generalmente da un substrato metallico o trasparente e da un rivestimento che può essere di vari materiali e con diverse caratteristiche.
Nei gobos di metallo, l'immagine è formata da aperture in una lastra di metallo ed il rivestimento non è necessario ma può essere applicato per migliorare la qualità dell’immagine.
I gobos in vetro o con substrato trasparente hanno un rivestimento in cui l'immagine è incisa chimicamente o ottenuta con ablazione laser.
Il rivestimento viene rimosso in modo selettivo al fine di creare un passaggio della luce che potrà avere varie forme e dimensioni in modo da creare testi, disegni, immagini sul gobo che vengono poi proiettate dal sistema di proiezione.
Il rivestimento (coating) è costituito da uno strato metallico e o da un multistrato di materiali dielettrici come descrive WO2012092028A1.
WO2012092028A1 descrive inoltre l’utilizzo di un ulteriore coating riflettente ( anche in alluminio) da apporre sul lato del gobo verso la lente che ha la funzione di bloccare le radiazioni della luce visibile che passano attraverso il multistrato di materiali dielettrici. Abbiamo schematizzato questo funzionamento nella fig.2
La funzione principale di questi rivestimenti è quindi quella di
1. avere la possibilità di incidere un’immagine qualsiasi
2. bloccare la luce visibile proveniente dalla sorgente luminosa in tutte le aree in cui non è presente l’immagine
Come funzioni aggiuntive inoltre vi sono coating che servono a proteggere gli strati sottostanti: US2013258678A1 descrive infatti l’uso di un coating metallico o dielettrico ad alta riflettività per proteggere gli strati sottostanti ed il substrato dalle radiazioni della sorgente luminosa. Abbiamo schematizzato questo funzionamento nella fig.1
Inoltre vi sono coating che servono ad eliminare le retro riflessioni provenienti dalle lenti del sistema di proiezione come descritto da US 20090097260A1 e da US2013258678A1 che utilizzano una superficie nera e da WO2012092028A1 che utilizza una superficie nera ruvida
PROCESSI DI PRODUZIONE
Il processo di ottenimento dell’immagine può essere di semplice foratura nel caso di gobo metallici, di ablazione laser o fotoincisione chimica per i gobos in vetro.
Il processo per creare un gobo inciso chimicamente è descritto da Ziegler e Mahanay nei documenti GB2294909 e US19940339014.
WO2012092028A1 descrive il processo di produzione di un gobo tramite un sistema di micro-machining per la rimozione selettiva del film sottile deposto sul substrato
IL PROBLEMA DELLA VARIAZIONE DELLA TEMPERATURA DI COLORE NELLE SORGENTI LED
Molti proiettori moderni utilizzano un LED bianco ad alta potenza come sorgente luminosa.
Tale LED bianco emette ad una lunghezza d'onda intorno a 430-450 nm (blu) ed è rivestito con materiale fotoluminescenti ( fosfori) per convertire parte delle lunghezze d'onda corte a lunghezze d'onda lunghe, tipicamente nell'intervallo di 500-700 nm. Questa tecnica è descritta da Nichia in Patent US005998925A
Un sistema LED a conversione luminosa è caratterizzato da un fattore Down-Conversion Efficiency, indicato con l’acronimo DCE, che esprime l’efficienza di conversione luminosa del materiale fotoluminescente e viene espressa dal rapporto tra il flusso luminoso generato dalla sorgente dopo la deposizione del materiale e quello generato dalla stessa sorgente prima della deposizione del materiale.
Quando la luce di un tale LED bianco viene utilizzata come fonte di luce in un sistema di proiezione che utilizza un gobo, parte della luce passerà attraverso il gobo e parte della luce sarà riflessa verso la fonte di luce, a seconda del modello sul Gobo . Nei proiettori ad alta potenza, con LED bianchi da 100 watt o più, il gobo deve avere una superficie riflettente per riflettere la maggior parte della luce proveniente dal LED. In genere un gobo ha un rivestimento in alluminio che riflette il 90% della luce. In questo modo l'assorbimento di energia del gobo è limitato consentendo al substrato di vetro di non raggiungere temperature critiche che porterebbero alla rottura del gobo.
Questo fa sì che il LED bianco catturi parte della luce / energia retroriflessa, provocando un aumento di temperatura. Nel caso in cui il raffreddamento della sorgente luminosa a LED non sia controllato in modo preciso e attivo, ciò può portare ad una vita più breve del LED. Inoltre, poiché lo spettro dei LED / temperatura del colore non è lineare con la sua temperatura / potenza, ne deriverà uno spostamento nella temperatura di colore / spettro.
Ancor peggio, il componente di luce a onda corta retroriflesso produrrà un'eccessiva attività fluorescente del rivestimento sul LED, portando ad un aumento dell’emissione luminosa a lunghezze d'onda lunghe. Di conseguenza, c'è un'eccessiva fotoluminescenza nelle lunghezze d'onda più lunghe ed una variazione del DCE, con conseguente variazione dello spettro del LED, mentre la temperatura del colore diminuisce. Ciò è confermato sperimentalmente (vedi figura 4).
Utilizzando un normale gobo in vetro con superifice nanostrutturata rivolta verso l’obiettivo e superfice riflettente rivolta verso la sorgente ( una delle più comuni configurazioni adottate fino ad oggi nel settore della proiezione per entertainement) con 9 diversi pattern aventi una % di asportazione del coating riflettente, quindi di luce trasmessa, via via decrescente e quindi di luce riflessa dal coatig verso la sorgente, via via crescente, in un sistema di proiezione con modulo a matrici di LED da 400W abbiamo rilevato il comportamento rappresentato in figura 5
La temperatura di colore della sorgente senza alcun gobo (Trasmissione 100%) è di 6580K. Inserendo un gobo con percentuali crescenti di superfice riflettente (e decrescenti di luce trasmessa) si misura una progressiva diminuzione della Temperatura di Colore. Misure effettuate con Colorimetro Minolta CL200A
Questo effetto è stato già scoperto da Jorgensen, brevetto DK2011050084.
Jorgensen afferma in detto documento che la luce retroriflettente proveniente da un gobo può essere riutilizzata e che l’emissione LED di luce bianca può essere aumentata del 19%. Jorgensen menziona anche che la luce retroriflessa viene convertita in lunghezze d'onda più lunghe.
Jorgensen dichiara la sovraemissione a lunghezze d'onda lunghe come un vantaggio per una maggiore emissione luminosa. Ma la temperatura di colore diminuisce e questo effetto può essere indesiderabile in applicazioni in cui la temperatura di colore corretta è più importante dell'output luminoso. Quando la luce viene riflessa su un LED bianco, l'energia che il LED dovrà dissipare aumenterà. Inoltre la luce a onde corte retroriflessa verrà convertita dai materiali fotoluminescenti, portando ad un aumento dell’emissione di lunghezze d'onda lunghe del LED bianco. Ciò si traduce in uno spostamento verso il basso della temperatura del colore.
Riassumiamo lo stato dell’arte: Fino ad ora, il GOBO ha sempre avuto una superficie riflettente. Nel caso di un gobo di vetro il coating può essere dal lato della lente (fig.2) o dal lato della sorgente luminosa (fig. 3) ma con lato riflettente sempre verso la sorgente luminosa al fine di respingere l'energia luminosa che non passa attraverso il gobo.
WO2012092028A1 descrive un sistema ad alta risoluzione per proiezione in cui un gobo ha una superficie di alluminio riflettente o con finitura ruvida nera. Lo scopo della soluzione proposta in WO2012092028A1è quello bloccare la luce passante dagli altri strati o di evitare le riflessioni della luce verso il sistema ottico del proiettore. La soluzione proposta in WO2012092028A1 risolve il problema della riflessione della luce retroriflessa verso le ottiche del sistema di proiezione facendo assorbire la luce che potrebbe essere retroriflessa da una superficie di alluminio nera matta.
La soluzione proposta in WO2012092028A1 non è funzionale se applicata dal lato della sorgente luminosa in quanto l’energia in arrivo dalla sorgente luminosa è maggiore di quelle che arriva dalle lenti e se assorbita dal gobo potrebbe portare al danneggiamento o alla rottura del gobo stesso.
Sommario dell’invenzione
La presente invenzione risolve il problema della variazione della temperatura di colore della sorgente utilizzando un gobo avente un coating deposto dal lato della sorgente luminosa con una superficie grigia microstrutturata ingegnerizzata o nano strutturata in grado di evitare che le radiazioni emesse dalla sorgente ed incidenti sul gobo possano venire riflesse totalmente nuovamente verso la sorgente.
Il coating oggetto dell’invenzione può essere utilizzato anche in sistemi con sorgenti ad elevate potenze se opportunamente protetto da un ulteriore coating dicroico deposto sopra il precedente e che ne incrementa le riflessione riducendo la quantità di energia assorbita dal coating sottostante.
Una parte della luce che non passa attraverso il gobo viene assorbita dal gobo stesso e una parte di luce viene retroriflessa in direzioni che non incidono sulla sorgente luminosa evitandone il riscaldamento.
L'invenzione qui presentata consente di preservare meglio la temperatura di colore del proiettore quando si utilizza un gobo, senza la necessità di un filtro per la correzione del colore.
Scopo principale della presente invenzione è di realizzare un sistema di proiezione di immagini comprendente una sorgente luminosa a LED e un gobo realizzato da un vetro borosilicato, o un vetro ceramico o un substrato di vetro di quarzo, un obbiettivo caratterizzato dal fatto che la superficie del gobo rivolta verso la sorgente luminosa ha uno strato di rivestimento di alluminio con una superficie nanostrutturata o microstrutturata.
Atro scopo dell’invenzione è di limitare l’assorbimento di radiazioni del gobo per limitare il suo riscaldamento e prolungando la sua durata di esercizio. Tale scopo è realizzato con un ulteriore strato di rivestimento dicroico.
L’utilizzo di un coating dicroico per proteggere gli strati sottostanti è una tecnica già nota ed è descritta in US2013258678A1 e WO2012092028A1
La novità della presente invenzione è il fatto che questo strato, abbinato alla superficie microstrutturata o nano strutturata sottostante, genera una superficie con la caratteristica di aumentare la riflettività e nel contempo indirizzare le retro riflessioni in modo da non farle rivolgere verso la sorgente luminosa
Altre caratteristiche e vantaggi appariranno chiari dalle seguenti figure date a titolo esplicativo e non limitativo.
Breve descrizione delle figure
La figura 1 mostra l'effetto dell’extra fotoluminescenza causata della luce riflessa.
La figura 2 mostra un tipico setup di un gobo con lato riflettente sempre verso la sorgente luminosa e con coating disposto verso la sorgente luminosa
La figura 3 mostra un tipico setup di un gobo con lato riflettente sempre verso la sorgente luminosa e con coating verso l’obiettivo
La figura 4 mostra la temperatura colore con 9 diversi pattern aventi una % di asportazione del coating riflettente
La figura 5 mostra lo spettro di emissione di un LED bianco Nichia basato sull’utilizzo dei fosfori
La figura 6 mostra un setup secondo l’invenzione che prevede il montaggio del gobo con superfice nanostrutturata protetta da un coating dicroico ad alta riflessività verso la sorgente luminosa
La figura 7 mostra un setup secondo l’invenzione che prevede il montaggio del gobo con superfice ingegnerizzata protetta da un coating dicroico ad alta riflessività verso l’obbiettivo.
La figura 8 mostra come varia lo spettro di emissione di una sorgente Led soggetta a luce riflessa con o senza riflettore.
La figura 9 mostra le misure di Temperatura di colore rilevate con l’utilizzo del gobo oggetto dell’invenzione confrontate con l’utilizzo di un gobo standard.
Descrizione di un modo di realizzare l’invenzione
L'invenzione è un sistema di proiezione di immagini, vedi fig.6 e 7, comprendente:
- una sorgente luminosa a LED
- un condensatore ottico
- un gobo realizzato da: un vetro borosilicato, o un vetro ceramico o un substrato di vetro di quarzo,
- un obbiettivo
- uno strato fatto da un rivestimento di ossido di cromo nero o simile, sulla faccia del gobo rivolta verso l’obbiettivo,
- un rivestimento di alluminio di colore grigio con una superficie nanostrutturata, con una rugosità superficiale creata dalla crescita colonnare e dalla formazione di cristalliti, deposto sulla superficie rivolta verso il lato della sorgente luminosa.
La superficie ruvida rifletterà la luce in un ampio intervallo di angoli, riducendo quindi la quantità di luce riflessa direttamente verso la fonte di luce, limitando in tal modo l'eccesso di fotoluminescenza e riducendo così la variazione della temperatura di colore
o in alternativa
- un rivestimento in alluminio di colore grigio con una superficie microstrutturata ingegnerizzata, che è strutturata per avere una micro superficie ad angoli regolari in modo che le radiazioni non vengano riflesse verso la fonte di luce, tale rivestimento è deposto sulla superficie rivolta verso il lato della sorgente luminosa. Tale superficie ingegnerizzata può essere realizzata mediante mascheratura o fotolitografia e incisione direzionale, come RIE (Reactive Ion etching). Poiché nessuna radiazione viene riflessa verso la fonte di luce, non ci sarà alcuna fotoluminescenza aggiuntiva e la temperatura del colore rimarrà invariata.
- un coating dicroico costituito, ad esempio, da strati di SiO2 e TiO2, depositato sopra il rivestimento di alluminio descritto in 3.1. e 3.2 per aumentare la riflettanza fino al 99% in genere nell'intervallo visibile di 400-700nm. In questo modo l'assorbimento di radiazioni luminose da parte del gobo è ridotto ed il gobo è protetto dal surriscaldamento, che altrimenti potrebbe portare a rottura.
Il risultato finale sarà un gobo con un lato verso l'obiettivo che assorbe la luce riflessa dell'obiettivo migliorando così la qualità dell'immagine proiettata e con un lato verso la sorgente luminosa a LED, avente una superficie nanostrutturata o microstrutturata ingegnerizzata in grado di ridurre la variazione della temperatura di colore e in grado di sopportare il surriscaldamento dovuto a sorgenti LED ad alta potenza.
L’utilizzo della sola superficie nanostrutturata o microstrutturata ingegnerizzata funziona molto bene per contenere od eliminare la variazione di Temperatura di Colore della sorgente LED, ma troverebbe possibilità di impiego solo con sorgenti di bassa intensità, in quanto la frazione di luce non riflessa viene assorbita dal coating; e tanto maggiore è l’intensità luminosa della sorgente LED, tanto maggiore sarà la frazione di radiazione assorbita dal coating. Quest’assorbimento di radiazione energetica porta ad un graduale innalzamento della temperatura del gobo ed una sua rottura.
Un coating dicroico ad alta riflettività nel visibile deposto sempre dalla parte della sorgente LED, non sulla superficie nanostrutturata o microstrutturata ingegnerizzata ma direttamente sul vetro, non avrebbe nessuna influenza sulla variazione di temperature di colore non riducendo la luce riflessa verso la sorgente stessa.
La presente invenzione prevedendo la sovrapposizione alla superficie nanostrutturata o microstrutturata ingegnerizzata di un coating dicroico ad alta riflettività, determina di fatto la costituzione di una superficie con un valore di riflettività maggiore a quello della sola superfice nanostrutturata o microstrutturata ingegnerizzata ed avente quindi caratteristiche idonee all’uso del gobo anche con sorgenti ad elevata potenza (>400W) . Il coating dicroico ad alta riflettività non altera infatti le caratteristiche peculiari della superfice sottostante e cioè la sua capacità di deviare le radiazioni luminose emesse dalla sorgente LED in direzioni disordinate o definite ma ha solo funzione di ridurre la quantità di radiazioni in arrivo sulla superifice riflettendone una percentuale.
La sola superficie nanostrutturata o microstrutturata ingegnerizzata riflette verso la sorgente una percentuale che varia tra il 10 ed il 20 % ( dipendendo dalla modalità di formazione della superficie), il solo coating dicroico ad alta riflettività può riflettere fino al 99% della radiazione (dipendendo dal numero e spessore degli strati che lo compongono). La sovrapposizione alla superficie nanostrutturata o microstrutturata ingegnerizzata del coating dicroico genera una superfice con riflettività che può variare tra il 10 ed il 40% ma che mantiene sempre una riduzione della variazione delle temperature di colore, scopo primario dell’invenzione.
Il sistema di proiezione illustrato in figura 6 prevede “ un rivestimento di alluminio di colore grigio con una superficie nanostrutturata, con una rugosità superficiale creata dalla crescita colonnare e dalla formazione di cristalliti, deposto sulla superficie rivolta verso il lato della sorgente luminosa. La superficie ruvida rifletterà la luce in un ampio intervallo di angoli, riducendo quindi la quantità di luce riflessa direttamente verso la fonte di luce, limitando in tal modo l'eccesso di fotoluminescenza e riducendo così la variazione della temperatura di colore”
Il sistema di proiezione illustrato in figura 7 prevede “un rivestimento in alluminio con una superficie microstrutturata ingegnerizzata, che è strutturata per avere una micro superficie ad angoli regolari in modo che le radiazioni non vengano riflesse verso la fonte di luce, tale rivestimento è deposto sulla superficie rivolta verso il lato della sorgente luminosa. Tale superficie ingegnerizzata può essere realizzata mediante mascheratura o fotolitografia e incisione direzionale, come RIE (Reactive Ion etching). Poiché nessuna radiazione viene riflessa verso la fonte di luce, non ci sarà alcuna fotoluminescenza aggiuntiva e la temperatura del colore rimarrà invariata”
La figura 8 mostra come varia lo spettro di emissione di una sorgente LED soggetta a luce riflessa.
Fig. 8 mostra lo spettro di un LED 3-Watt . Area di emissione 2x2 mm con una lente sferica di plastica di circa 5 mm di diametro. I valori dipendono dalla sensibilità dello spettrometro stesso.
Il riflettore in alluminio è stato realizzato con un foglio di alluminio posto davanti al led. Un piccolo foro di circa 0,2 mm di diametro è stato realizzato per far fuoriuscire una piccola porzione di luce, simulando un gobo che riflette la maggior parte della luce nel LED, e solo una piccola parte della luce viene fatta uscire attraverso il foro.
Per comprendere le cause di queste variazioni occorre soffermarsi sul principio di funzionamento di un LED bianco a conversione luminosa.
Un LED è utilizzato come sorgente di luce primaria, in genere Led a semiconduttori Blu, insieme a materiali foto-luminescenti, definiti fosfori, capaci di assorbire parte della radiazione emessa dalla sorgente e di riemetterla a lunghezze d’onda più lunghe superiori. La luce emessa dalla sorgente e quella emessa dai materiali di conversione si combinano, generando luce bianca.
Nell figura 9 sono riportate le misure di Temperatura di colore rilevate con l’utilizzo del gobo oggetto dell’invenzione confrontate con l’utilizzo di un gobo standard.
Il trovato, bene inteso, non si limita alla rappresentazione data dalle tavole ma può ricevere perfezionamenti e modifiche dall'uomo del mestiere senza uscire per altro dal quadro del brevetto.
La presente invenzione consente numerosi vantaggi e di superare difficoltà che non potevano essere vinte con i sistemi attualmente in commercio.
Claims (2)
- Rivendicazioni 1) Sistema di proiezione di immagini comprendente una sorgente luminosa a LED e un gobo realizzato da un vetro borosilicato, o un vetro ceramico o un substrato di vetro di quarzo, un obbiettivo caratterizzato dal fatto che la superficie del gobo rivolta verso la sorgente luminosa ha uno strato di rivestimento di alluminio di colore grigio con una superficie nanostrutturata o microstrutturata che non riflette le radiazioni verso la sorgente luminosa.
- 2) Sistema di proiezione di immagini secondo la rivendicazione 2 o 3 caratterizzato dal fatto che lo strato di alluminio nanostrutturato di colore grigio con una rugosità superficiale creata da crescita colonnare e da formazione di cristalliti, che non riflette le radiazioni verso la sorgente luminosa in quanto le disperde in molteplici direzioni. S) Sistema di proiezione di immagini secondo la rivendicazione 2 o 3 caratterizzato dal fatto che lo strato di alluminio microstrutturato ha una superficie ingegnerizzata, che è strutturata per avere una micro superficie ad angoli regolari che non riflettono le radiazioni verso la sorgente luminosa. 4) Sistema di proiezione di immagini secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la superficie del gobo rivolta verso la sorgente luminosa presenta un'ulteriore strato di rivestimento dicroico. 5) Sistema di proiezione di immagini secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che l'ulteriore strato dicroico è sovrapposto al rivestimento di alluminio con superficie nanostrutturata o microstrutturata dal lato della sorgente luminosa a LED di modo che aumenti la riflessività delle superificie rivolta verso la sorgente ma venga mantenuta la caratteristica di non riflettere le radiazioni verso le sorgente luminosa 6) Sistema di proiezione di immagini secondo la rivendicazione 4 o 5 caratterizzato dal fatto che lo strato di rivestimento dicroico è costituito da strati di SiO2 e TiO2, depositato sopra il rivestimento di alluminio.
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Citations (8)
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2019
- 2019-06-20 IT IT102019000009681A patent/IT201900009681A1/it unknown
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