RU2592720C2 - Смешивающая цвета собирающая оптическая система - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к оптической системе для сфокусированного излучения света, которая может использоваться как полноцветный пиксель в растровой компоновке главным образом для дорожных знаков переменной информации и электронных индикаторных панелей, устанавливаемых вне помещений. В качестве источника (1) света функционирует полноцветный светодиод в SMD-конструктивном исполнении с красным, зеленым и синим светодиодным кристаллом. Непосредственно перед ним расположена плоскость (3) ввода световодного стержня (2), который захватывает полностью свет светодиодного кристалла. Световой вывод (4) световодного стержня (2) расположен в фокусе собирающей линзы (5), которая фокусирует выходящий свет. Собирающая линза (5) и световодный стержень (2) могут быть выполнены как единое целое. Собирающая линза (5) не только фокусирует параллельно оси свет, исходящий из средней точки (F), но и фокусирует параллельно в соответствующих направлениях (p) свет, исходящий сбоку от области фокуса (F) из точек (P) вывода (4) света. Технический результат - обеспечение распределения света в виде равномерно светлой, одноцветной области в форме светового вывода. 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к собирающей оптической системе, смешивающей цвета и свет, в частности, как полноцветный пиксель для устанавливаемых вне помещений индикаторных панелей, предназначенных для передачи изображений, для направленных световых источников или сигнализации, состоящей из светодиодного источника света (LED), а также расположенного перед ним световодного стержня и собирающей линзы, согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения.

До сих пор для индикаторных панелей, устанавливаемых на открытом воздухе, которые должны отображать изменяющуюся информацию, как, например, дорожные знаки переменной информации для воздействия на движение транспорта, в числе прочего применяются светящиеся точки, которые содержат источник света, в частности светодиод (LED). За счет электронного управления LED светящиеся точки могут включаться и выключаться, а также представлять постепенную разность яркостей. Эти светящиеся точки различных цветов света либо размещаются согласно представляемым символам, как, например, дорожным знакам, либо используются на больших площадях в растровой конфигурации, чтобы тем самым иметь возможность отображать любые программируемые графики, тексты или также изображения. В данном случае светящиеся точки функционируют как так называемые пиксели.

В противоположность видеоэкранам большой площади на основе светодиодов, которые требуют широкого светоизлучения для находящейся перед ними аудитории, отображения, предназначенные для движения транспорта, ограничены намного более узкими углами излучения или наблюдения, так как зачастую они должны быть видимыми только с полосы движения с большой дистанции. Кроме того, они, как правило, отображают постоянную индикацию и неподвижные изображения, которые лишь редко изменяются. Отсюда следуют значительное упрощение в управляющей электронике и потреблении энергии и, тем самым, заметно более низкие эксплуатационные затраты. Однако большие дальности наблюдения и погодные влияния также требуют повышенных интенсивностей светового излучения, кроме того, нормативно установлены также определенные светотехнические требования.

В то время как в настоящее время чаще всего достаточны одноцветные светящиеся точки и немногие представления изображений, состоящие, например, из комбинации красной, зеленой и синей светящихся точек, собранных вместе как цветной пиксель, выполняются в растровой конфигурации, в будущем однако следует ожидать, что будут желательными все больше цветных представлений с все более высоким разрешением, и пиксельные конфигурации из трех одноцветных светящихся точек были бы слишком большими и дорогостоящими.

По сравнению с этим, в светодиодных больших видеоэкранах применяются светодиоды, специально разработанные для этой цели, которые в общем корпусе содержат три основных цвета - красный, зеленый и синий в форме тройных светодиодных кристаллов, причем каждый цвет может регулироваться индивидуально. Три цвета имеют при этом идентичную характеристику излучения, которая, например, реализуется посредством добавления в светодиод рассеивающего средства. Эти так называемые полноцветные или мультисветодиоды имеют плоскую площадь вывода света и расположены в растре пикселей. Они излучают свой свет в виде так называемых косинусных излучателей, причем свет в центре является наиболее сильным, а к краю при 90° постепенно спадает до нуля согласно функции косинусоиды. Поскольку свет излучается полусферически в очень большой области, яркость и в центре низка и из-за возрастающих затрат на энергию и охлаждение не может быть повышена, поэтому такие экраны находят применение только внутри помещений. При наружной установке, видеоэкраны большой площади также выполняются со специальными отдельными красными, зелеными и синими светодиодами с встроенным, фокусирующим свет концевым элементом линзы и овальной конструктивной формой и светоизлучением, потому что требуемая яркость при дневном свете иначе не может быть реализована экономичным образом.

Во всех больших LED-экранах особенно важно выполнять световое излучение светодиода по возможности идентично, так как иначе при боковом наблюдении появляются цветовые сдвиги, цветные окантовки или цветные пятна. Является весьма затратным выполнение отдельных одноцветных светодиодов LED с концевым элементом линзы таким образом, чтобы они все были точно ориентированы относительно друг друга, в частности, если светодиоды LED, кроме того, расположены на проволочных опорах.

Полноцветные или мультисветодиоды как компоненты для поверхностного монтажа (SMD) просто припаиваются в растре на соответствующую печатную плату, за счет чего также задается точная плоская ориентация, излучение света трех светодиодных кристаллов является уже однородным.

Очевидной представляется возможность применения простой и экономичной конструктивной формы полноцветных или мультисветодиодов также и для высоких световых мощностей, при этом широкоизлученный свет просто фокусируется посредством расположенной впереди собирающей линзы. Однако этот подход оказывается неэффективным из-за того, что свет трех цветовых кристаллов посредством расположенной впереди собирающей линзы не может фокусироваться идентично друг другу, а каждый цвет направляется в другом направлении, в соответствии с размещением кристалла в светодиоде и оптическим закономерностям формирования изображения. Поэтому цвета перед фокусировкой должны хорошо смешиваться.

Уже имеются предложения по смешиванию цветов разных светодиодов. В JP 2008047482 (Epson) представлена подсветка дисплея посредством краевого излучения с помощью светодиодов различных цветов, поляризационного фильтра и смешения цветов. В данной заявке постановка задачи принципиально другая, смешивание цветов без фокусировки света происходит уже в самих мультисветодиодах.

Также и в известных рекламных панелях с краевым излучением посредством LED различных цветов возникает автоматически очень хорошее смешивание цветов без фокусировки, при этом свет каждого LED по всей поверхности индикации распределяется посредством многократного отражения и рассеивания.

Также комнатные светильники с красными, зелеными и синими LED формируют равномерно смешанный белый, если применяются LED с одинаковой характеристикой излучения, и за счет дополнительного рассеяния дополнительно усредняются структурированными защитными пластиками, так что возникает однородный световой эффект и цвет.

Смешивание цветов без фокусировки света может, таким образом, осуществляться просто за счет рассеяния света. Стоит также упомянуть индикацию состояния на электронных приборах, в которых применяются LED с несколькими кристаллами, которые, например, дают красный и зеленый цвет и желтый как смешанный цвет.

Свет этих LED направляется с помощью световодов к поверхности прибора и там излучается с широким рассеянием. Рассеяние означает в принципе также потерю энергии света, которая выражается в сниженной фокусирующей способности, а также потери из-за света, который за счет рассеяния преждевременно выходит из оптической системы и не может использоваться.

Но также уже известно устройство для сфокусированного смешанного освещения. В US 2010020565 А1 (Seward) предложено различным образом окрашенный свет светодиодов полностью перемешивать в маленьком фотометрическом шаре (Ульбрихта) и вводить через световодный стержень в хорошо фокусирующую собирающую оптическую систему. Однако на практике это предложение оказывается неэффективным из-за высоких потерь рассеянного света на стенках фотометрического шара, а также требуемых конструктивных размеров и затрат для реализации этого устройства.

В принципе передача света посредством световода, на одном конце которого источник света излучает, а на другом его конце излученный свет распределяется с помощью оптики, уже давно известна. Эта базовая система может, однако, модифицироваться посредством огромного множества параметров, так что возникает необозримое многообразие свойств и возможностей выполнения.

Если рассматривать свойства световода, то наряду с многими другими свойствами в общем принимается, что этот световод смешивает свет «как таковой» и поэтому в принципе функционирует как элемент для смешения цвета света и интенсивности, как, например, шероховатая поверхность или просвечивающий, диффузный материал, как, например, матовое стекло. На самом деле световод является высокопрозрачным, чрезвычайно точным оптическим элементом, который по своей функции ничем не отличается от оптической линзы, оптической призмы или других оптических объектов. Внутри него происходит точно определяемый ход лучей, который зависит только от типа источника света и его воздействия на плоскость ввода.

Впечатление «смешивающегося» свойства возникает из-за того, что свет направляется посредством многократного полного отражения на стенках световода, и поэтому допуски поверхности имеют очень большое влияние на результат, так как даже мельчайшие угловые погрешности поверхности стенок при полном отражении удваиваются, и «последовательное включение» многочисленных отражений приводит к дополнительным допускам отклонения луча. Поэтому длинные световоды на практике демонстрируют смешивающее действие, возникающее из-за неизбежных допусков на изготовление. Однако короткие, изготовленные с высокой точностью световоды не проявляют смешивающего действия, из-за чего они действуют на свет как оптические линзы или призмы.

Другим критерием является эффективность системы распределения «источник света - световод». Если практически каждый световой луч источника света направляется через световод и эффективно излучается, то эффективность близка к 100%. На практике, не все световые лучи попадают в световод, они не достигают плоскости ввода или отражаются от нее назад. Материалы и поверхности также поглощают часть света, и при распределении также многие световые лучи излучаются не в необходимые области. В частности, волоконно-оптические световоды имеют так называемые «потери незаполненных промежутков» между круглыми волокнами, причем свет хотя и излучается туда, но не направляется далее. Также наружный слой волокна из низкопреломляющего материала не в состоянии направлять свет.

Другим критерием является оптическое действие световода. Если световод расширяется, то свет фокусируется, так как при каждом отражении на стенке осевой угол каждого светового луча уменьшается. Однако при таком сужении свет рассеивается, причем «апертура» световода очень быстро превышается. Свет падает в данном случае под все более резкими углами на отражающие стенки, пока он не сможет выйти сбоку из световода, и теряется.

ЕР 0596865 А2 раскрывает устройство для излучения света, причем применяются оптический элемент, а в качестве источника света - LED. При этом следует учитывать, что для передачи света применяются стекловолоконные световоды, которые могут иметь почти любые изгибы. За счет избирательного включения различных LED оказывается влияние на угол излучения полного светового луча. Кроме того, эти стекловолоконные линии, предпочтительно пучки волокон, рассматриваемые как таковые, имеют соответственно круговое поперечное сечение.

US 2009/0052189 А1 раскрывает устройство для изготовления осветительных приборов направленного света с высокой фокусировкой и одновременным смешением основных цветов (R, G, B). Этот светодиодный источник излучения содержит светодиодный источник света с несколькими светодиодными кристаллами, стержневую линзу с функцией световодного стержня и оптический элемент. По существу US 2009/0052189 А1 раскрывает базовое устройство, дополненное «первой» фокусирующей оптикой, которая фокусирует свет, излученный светодиодным источником света, на плоскости ввода квадратного световодного стержня, который конически сужается и плоскость ввода которого лежит в фокусе рефлектора. При этом первичная собирающая линза расположена перед световодным стержнем и фокусирует свет LED на его плоскости ввода, кроме того, стержневая линза имеет форму поперечного сечения, сужающуюся от LED-источника света к линзе. Таким образом, в US 2009/0052189 А1 главным образом применяется рефлектор, так как конически сужающийся световодный стержень излучает свет в полусферу, которую посредством рефлектора легче сфокусировать. Напротив, во второй представленной в US 2009/0052189 А1 собирающей системе посредством дихроичного зеркала свет уже предварительно смешан. Эти существенные различия обосновываются целью US 2009/0052189 А1, заключающейся в достижении максимальной фокусировки, в то время как в предложенном изобретении должно достигаться определенное распределение света.

Напротив, в WO 2006/054199 А1 раскрывается источник света, который содержит осветительный генератор с по меньшей мере одним LED и/или по меньшей мере одним излучающим лазерный свет элементом для генерации и ввода света в по меньшей мере один световод, который имеет по меньшей мере один элемент вывода для вывода света.

Задачей изобретения является создание оптической системы, в которой свет различных светодиодных кристаллов такого полноцветного или мультисветодиода полностью перемешивается между собой таким образом, что его интенсивность и направление сохраняется в малом пространстве, и затем может известным образом фокусироваться, не создавая для наблюдателя цветовых различий, цветовой окантовки или цветовых пятен, причем устройство должно быть экономичным и малогабаритным.

Это достигается в соответствии с изобретением тем, что светодиодный источник света имеет несколько светодиодных кристаллов, причем плоскость ввода света световодного стержня расположена перед плоскостью вывода света источника света и захватывает свет каждого кристалла, световодный стержень ориентирован перпендикулярно своей плоскости ввода, его поперечное сечение является постоянным или постепенно увеличивается и вывод света световодного стержня находится в области фокуса, установленной впереди собирающей линзы. Относительно формулировки «в области фокуса» следует отметить, что, с технической точки зрения, плоскость вывода света по возможности совпадает с фокусом или располагается в области, непосредственно окружающей фокус. Кроме того, в соответствии с изобретением длина световодного стержня составляет кратное диаметру плоскости ввода.

В основу предложенного изобретения положено применение коммерчески доступных RGB-светодиодов с кристаллами трех основных цветов - красного, зеленого и синего (R, G, B) для генерации света с любым смешиванием цветов. В то время как сам светодиод выполняет требования по смешиванию цветов за счет того, что он свет каждого кристалла излучает в полусферу в качестве так называемого косинусного излучателя, он более не выполняет такого смешивания света, если перед ним устанавливается светофокусирующая оптика или объектив, чтобы световое излучение сфокусировать в определенном направлении и тем самым усилить, так как кристаллы генерируют в проекции соответствующее цветное пятно. Однако эти цветные пятна, ввиду расположения кристаллов рядом друг с другом, не являются конгруэнтными, и поэтому сфокусированный свет представляется не в смешанном цвете, а цветными пятнами.

Поэтому необходимо эти три цвета света и яркости «перемешать» между светодиодами и оптической системой с помощью дополнительного оптического элемента, чтобы получить единый смешанный цвет. При этом должна достигаться максимальная эффективность и, разумеется, экономичная форма выполнения оптического элемента, который в этом случае может находить серийное применение в качестве пикселей индикаторных панелей. Высокая эффективность снижает потребление тока и нагрев индикаторной панели и, тем самым, затраты на охлаждение и эксплуатационные затраты.

Поэтому центральной идеей изобретения является применение специальным образом выполненного световодного стержня, который находится непосредственно у LED, принимает весь его свет, выполняет «смешивание» и непосредственно цельно входит в собирающую оптическую систему, благодаря чему, с одной стороны, обеспечивается наибольшая эффективность, а с другой стороны, также не теряется фокусирующая способность света, так что оптическая система не увеличивается в диаметре по сравнению с существующими оптическими системами с одноцветными LED одинаковой конструктивной формы или соответственно величины корпуса.

Свет, исходящий от светодиодного источника света, входит немедленно в плоскость ввода на торцевой стороне световодного стержня. Его угловая область за счет этого в результате преломления света в зависимости от показателя преломления материала световода сокращается от +/- 90° (полусфера) до угла, составляющего, например, +/- 42° относительно оси, например, при применении плексигласа. Этот угол вычисляется известным образом как арксинус обратного значения показателя преломления. Световодный стержень может быть изготовлен из любых подходящих прозрачных пластиков или стекол.

При постоянном сечении световодного стержня свет падает под этим максимальным углом 42° на стенки, где он полностью отражается, так как прохождение через боковые поверхности в данном случае возможно только начиная с примерно 48° к оси. Таким образом, свет проходит известным образом, за счет многократного полного отражения без потерь на стенках световодного стержня, до его светового вывода, который по существу может быть такой же величины, как и плоскость ввода, и при этом за счет геометрического выполнения световодного стержня смешивается. Без дополнительных мер свет на выходе был бы снова расширен до +/- 90°. Поэтому вывод света может рассматриваться как плоскость вывода LED, однако с перемешанным светом, и посредством собирающей линзы известным образом фокусируется. Таким образом, перемешивание происходит, по существу, без потерь света.

Перемешивание является следствием формы боковой поверхности и длины световодного стержня. Из-за множества возможных поперечных сечений, описание способа действия ограничивается несколькими простыми вариантами выполнения, что, однако, не ограничивает объем изобретения.

В принципе каждый световод перемешивает входящий свет после прохождения определенного пути равномерно по световому выводу. Причинами являются, наряду с геометрическим выполнением, прежде всего малые геометрические отклонения поверхности, шероховатость поверхности, примеси в материале или искривления световодного стержня, которые влияют на угол отражения и, тем самым, способствуют перемешиванию света. Эти рассеивания также вносят потери, если угол отражения настолько изменяется, что свет более не претерпевает полного отражения и выходит через боковой выпуск. Чем длиннее световод, тем больше света теряется из-за поглощения в материале.

При соответствующем изобретению применении длина световодного стержня рациональным образом поддерживается настолько короткой, как это требуется. Смешивание реализуется только за счет геометрии световода, отклонения геометрии или материала для улучшения смешивания за счет действия рассеивания снижают эффективность и в данном случае не являются ни желательными, ни необходимыми. Более того, световодный стержень распределяет свет каждого кристалла по одинаковой длине световода равномерно по световому выводу, независимо от того, позиционирован ли кристалл в центре или в краевой области плоскости ввода.

Изобретение поясняется далее со ссылками на чертежи. На фиг.1 и фиг.2 показаны виды сверху различных растров зеркальных изображений источника света,

фиг.3 - сечение соответствующего изобретению устройства вместе с ходом лучей,

фиг.4 и 5 - соответствующая изобретению оптическая система в наглядном изображении.

Если сначала рассмотреть световодный стержень с постоянным прямоугольным поперечным сечением перед источником света с примерно таким же по величине световым выводом, как показано на фиг.3, то его действие с помощью фиг. 1 можно описать следующим образом.

Если мысленно посмотреть из положения непосредственно внутри светового вывода 4 световодного стержня 2 против источника 1 света, то световодный стержень 2 представится, из-за полного отражения на сторонах, как прямоугольная трубка из плоских зеркал. Источник 1 света, видимый через плоскость 3 ввода света, отражается зеркально не только на все четыре боковые стенки, а возникает из-за многократного зеркального отражения параллельных противолежащих зеркальных плоскостей прямоугольный узор зеркальных изображений 1а, 1b, 2с,… того же самого источника 1 света. В данном случае возникает эффект, сопоставимый с просмотром так называемого калейдоскопа. Источник 1 света имеет в этом случае три кристалла R, G, B различных цветов, в частности, красного, зеленого и синего, зеркальные изображения которых Ra, Rb, Rc,… Ga, Gb, Gc,… Ba, Bb, Bc,… также представлены. Если световодный стержень 2 выполнен с острыми кромками, то возможен просмотр всех зеркальных изображений беспрепятственно. В случае больших радиусов кромок некоторые зеркальные изображения были бы закрыты из-за радиуса, или происходили бы отражения на самих радиусах, вследствие чего представление было бы ухудшено.

Если светодиодный кристалл R, G, B находится не в центре плоскости 3 ввода, то некоторые зеркальные изображения лежат плотно друг к другу, а другие с большим разнесением друг от друга, причем в среднем, однако, изменение является несущественным, так как каждое зеркальное изображение остается, естественно, в пределах своей совместно зеркально отображаемой прямоугольной плоскости ввода. Поле зеркальных изображений ограничено посредством зависимого от материала предельного угла полного отражения, составляющего примерно 42° для плексигласа, наружу отображенные светодиодные зеркальные отображения более не могут излучать свет к световому выводу и поэтому не существуют. Чем длиннее световодный стержень 2, тем дальше удаляется наблюдатель, тем больше видимое поле зеркальных отображений, тем меньше разница в углах наблюдения между зеркальными отображениями и тем больше равномерность. Для ограничения видимости посредством предельного угла полного отражения требуется поэтому такая длина световодного стержня 2, чтобы для желательной равномерности смешивания в поле зрения лежало достаточно много зеркальных отображений. Графическое представление может при этом служить в качестве отправной точки, можно различить в направлении 7, в другом направлении 9 зеркальные изображения вместе с оригиналом. При использовании предельного угла, составляющего примерно 42°, можно исходить из того, что световодный стержень 2, который в 8-10 раз длиннее своей плоскости 3 ввода, дает очень хорошие результаты смешивания. При этом длина световодного стержня 2 при применении коммерчески доступных полноцветных LED для устройств видеоотображения с большим экраном всего лишь около 20 мм.

Каждое зеркальное отображение излучает, как и оригинал, полный пучок световых лучей в пределах углового диапазона, составляющего примерно до 42°, поэтому также к каждой точке светового вывода. Световые пучки отличаются только по их интенсивности и часто также по их цвету в зависимости от их направления излучения. При наличии довольно многих зеркальных отображений возникает, таким образом, чрезвычайно равномерное освещение светового вывода посредством суммы пучков световых лучей каждого цвета и с каждого направления зеркального отображения и зависимой от направления яркости светодиодных кристаллов. Сами различия в положении светодиодных кристаллов внутри источника света усредняются, так как одно зеркальное отображение в среднем ближе, а зато следующее удалено дальше, что при совокупном воздействии почти полностью устраняется. За счет большей длины световодного стержня качество смешивания из-за увеличения числа зеркальных отображений дополнительно улучшается.

На фиг.1 также показано, что не только общий вид зеркальных отображений создает впечатление равномерного распределения, но и также каждый цвет сам распределяется относительно равномерно и регулярно внутри общего вида, как наглядно показывают три вида отдельно по R, G и В. Поэтому непосредственно перед выводом света из световодного стержня 2 имеет место равномерное светлое распределение света в смешанном цвете в пределах предельного угла, составляющего примерно 42°.

Наблюдение изнутри светового вывода 4 на поле зеркальных отображений фактически является суммой наблюдений во всех возможных направлениях на один и тот же источник 1 света, за счет чего устанавливается общее впечатление цвета и яркости, что совершенно равноценно физическому смешиванию всех световых лучей, например, посредством рассеивания.

Все световые лучи, которые входят в световодный стержень 2, выходят вновь из равновеликого светового вывода под тем же углом. Тем самым происходит смешивание цвета и яркости, не учитывая физически неизбежные потери граничных плоскостей, а также в световоде в материале без потерь, поэтому эффективность последующей фокусировки по существу неизменно высока.

Очевидно, что такие поля возникают в зеркальных отображениях с помощью геометрических форм световодного стержня 2, которые могут заполнить без пропусков и равномерно некоторую плоскость, то есть равносторонний треугольник, прямоугольник и квадрат, а также правильный шестиугольник, как показано на фиг. 2. Эти поперечные сечения световодного стержня формируют соответствующую плоскость без пропусков и перекрытий зеркальных отображений с равномерным расположением растра, если зеркальные плоскости также граничат друг с другом острой кромкой. Перемешивание цветов и яркостей возникает при этом, как описано выше, ни за счет процессов смешивания, ни за счет действия рассеяния, а посредством виртуального равномерного расположения одинаковых по конструкции источников света в качестве зеркальных отображений одного и того же источника света, которые подают свой свет по световому выводу. Возможность фокусировки также сохраняется в полном объеме, потому что входное и выходное поперечное сечение световодного стержня могут быть равными по величине. И поскольку положение кристалла в своем воздействии в среднем в значительной степени выравнивается, также зависимость от него результата смешения крайне незначительна.

Одно только равномерное перемешивание не является единственным критерием для оптического выполнения, так как должно также учитываться направление излучения световых лучей после светового вывода. В случае равномерного расположения дискретных зеркальных отображений светодиодных кристаллов световые лучи также выходят в соответствующих дискретных направлениях, в противоположность выводу из источника света, они более не представляют собой однородного расходящегося светового пучка. Без предустановленной оптики излученный свет формировал бы узор из светлых световых точек, так как каждое зеркальное отображение LED образует свой собственный световой пучок через световой вывод в соответствующем направлении излучения. Этот эффект является следствием предложенного способа смешивания. В случае истинного перемешивания всех световых лучей световой пучок был бы таким же однородным, как и при выходе из самого источника света.

На фиг.3 показано это положение в упрощенной форме для света светодиодного кристалла R, при этом в целях наглядности представлены только осевые лучи r, ra, rb, rc,…, соответственно представляющие узкий пучок световых лучей. Излученный через световой вывод 4 свет зеркальных отображений образует пучок из узких отдельных пучков. Это представлено для средней точки F светового вывода, а также для произвольно лежащей сбоку точки Р светового вывода, для которой направление излучения узкого светового пучка изменяется лишь незначительно.

Если после световодного стержня 2 собирающая линза 5 позиционирована таким образом, что световой вывод находится точно в ее фокусе F, то расходящиеся пучки световых лучей, имеющиеся в каждой точке Р светового вывода 4, фокусируются посредством собирающей линзы в направлении р, соответствующем этой точке Р, посредством так называемой главной точки Н собирающей линзы 5. Пучки световых лучей, проходящие через среднюю точку светового вывода F, ориентируются параллельно оси. Пучки лежащих сбоку от нее точек светового вывода направляются параллельно в соответствующих направлениях р. Световой вывод 4, таким образом, проецируется, согласно оптическим законам, в бесконечность, причем каждая точка Р светового вывода 4 отображается в определяемое согласно оптическим законам направление р, независимо от того, какое направление имеют отдельные световые лучи, исходящие из этой точки. Распределение света этого оптического устройства представляет собой, таким образом, равномерно светлую, одноцветную, перевернутую область в форме светового вывода 4.

Это распределение света может быть дополнительно согласовано с требованиями посредством оптически воздействующих геометрий или рассеивающих структур в области собирающей линзы 5. Очевидно, что световой вывод должен иметь форму, предпочтительную для желательного дальнейшего распределения света и рассеяния. Например, распределение может рассеиваться в ширину за счет ребер или утолщений 7 на плоскости 6 вывода собирающей линзы 5. Равномерная на данный момент яркость тем самым отклоняется и расширяется в отношении желательного распределения яркости, не осуществляя негативного воздействия на смешанный цвет.

В другом варианте выполнения изобретения световодный стержень 2 может также конически расширяться. Как известно, за счет этого свет в световодном стержне фокусируется, при этом скос каждого светового луча к оси при каждом полном отражении на стенке уменьшается на двукратное значение имеющегося при этом угла конусности. В случае прямоугольного поперечного сечения может осуществляться фокусировка в горизонтальном, вертикальном или всестороннем направлении. Световой вывод 4 увеличивается в соответствии с этим относительно плоскости 3 ввода. Если наблюдать через нее внутрь световодного стержня 2, то расположение зеркальных отображений в виде растра изгибается в одном или обоих направлениях от наблюдателя. Уменьшение угла светового луча приводит при этом к уменьшению количества действующих зеркальных отображений, что может быть скомпенсировано адекватным удлинением световодного стержня 2. Само смешивание функционирует, однако, как и прежде. Следствием увеличения светового вывода 4 является аликвотное уменьшение плотности света, но зато более высокая выходная фокусировка света.

Представленные выполнения сечений световодного стержня имеют тот же принцип функционирования. Но могут также применяться и другие поперечные сечения, также с изогнутыми ограничивающими плоскостями. Отдельные зеркальные отображения превращаются в этом случае в искаженные фигуры, часто не распознаваемые более как зеркальные отображения, смешивание может рассматриваться только как интеграл по дифференциальным зеркальным отображениям, в зеркальных отображениях имеют место перекрытия или пропуски. Поэтому смешение чаще всего заметно хуже и по способу функционирования является полностью ненаглядным. Необходимая длина такого световодного стержня может определяться только моделированием или экспериментально.

Очень плохое перемешивание демонстрирует при этом круговое поперечное сечение, так как световой луч, который проходит через центр, после каждого отражения проходит вновь только через центр, а световой луч, который проходит мимо центра, всегда отражается только по кругу. Улучшение в данном случае может быть реализовано дополнительным эффектом рассеивания посредством допусков геометрии, шероховатости поверхности, нестабильностей в материале или искривлений световодного стержня. Поэтому рекомендуется, по возможности, выбирать многоугольник с соответствующим изобретению поперечным сечением, чтобы не полагаться на эффекты рассеивания, подверженные потерям. В случае подобных и других некруговых поперечных сечений в качестве радиуса следует устанавливать эквивалентный радиус. Этот эквивалентный радиус представляет собой радиус, который имеет круг с такой же площадью поперечного сечения, что и рассматриваемое поперечное сечение.

В другом варианте выполнения изобретения световой вывод 4 может иметься лишь виртуально, собирающая линза 5 примыкает непосредственно и цельным образом к световодному стержню 2. Таким образом, свет не должен выходить из световода и вновь входить в собирающую линзу, а может без потерь на граничной поверхности распространяться дальше, пока не выйдет из собирающей линзы. Этот конструктивный способ является очень компактным и эффективным.

Другой вариант выполнения касается применения оптически эффективных геометрий в области собирающей линзы. Если плоскость вывода собирающей линзы перекрывается структурой, то световое изображение модифицируется или рассеивается посредством этой структуры. Но можно между виртуальным выводом света и плоскостью вывода собирающей линзы, например, посредством полностью отражающих поверхностей направить часть света в другие, остающиеся в ином случае темными зоны. Геометрию поперечного сечения световода следует выбирать таким образом, чтобы вместе с простыми мерами по отклонению света достигалось точно желательное распределение света, в частности, посредством компьютерного моделирования.

На фиг.4 показана оптическая система с приведенными выполнениями полноцветного светодиодного источника 1 света. Световодный стержень 2 расширяется конически в горизонтальном направлении, вертикально он остается постоянным. Положение светового вывода 4 определяется посредством нижнего и верхнего конца световодного стержня 2. Световой вывод 4 имеется только виртуально, так как материал продолжается дальше до концевого элемента 6 вывода собирающей линзы 5, фокус которой лежит в виртуальном световом выводе 4. Наконец, на световодный стержень 2 на верхней стороне опирается наклонная поверхность 8, которая формирует смежное зеркальное изображение виртуального светового вывода непосредственно выше, также боковые поверхности 8а световодного стержня проходят дальше, причем также они формируют смежное зеркальное изображение виртуального светового вывода. Проекция светового вывода 4 через сборную линзу 5 в бесконечность изменяет направления на обратные, поэтому она имеет сбоку и ниже спроецированного прямоугольника еще продолжающиеся далее световые плоскости 9, 9а, которые возникают посредством зеркального отображения вывода в плоскостях 8 и 8а, в результате чего в данном случае в сумме возникает по существу треугольное распределение света. Зеркально отображенные плоскости 9, 9а имеются лишь частично и обладают также градиентом яркости, потому что лишь часть световых лучей из светового вывода 4 за счет ограничения угла до примерно 42° может вообще достичь плоскостей 8, 8а отражения. Большим преимуществом этих примыкающих зеркальных плоскостей является непрерывный переход в распределение света между отображением светового вывода и зеркально отображенными плоскостями 9, 9а. Концевого элемент 6 собирающей линзы может перекрываться рассеивающей структурой 7, которая в целом имеет незначительный эффект рассеивания и, тем самым, обуславливает не только выравнивание распределения света, но и некоторую характеристику прохождения по краям распределения света.

Выбор наилучшего подходящего поперечного сечения и расположения светодиодного кристалла в самом источнике света является вопросом краевых условий и необходимого распределения света, а также выполнения оптических систем.

Свободно устанавливаемое поперечное сечение оправдано прежде всего своей геометрией вывода, при которой совместно с собирающей линзой 5 требуется особое распределение света. Так, например, возможно, как представлено на фиг.5, для поперечного сечения световода выбирать крестообразную форму или форму в виде стрелки или любого другого символа равномерной яркости и произвольно изменяемого равномерного цвета, который затем посредством собирающей линзы 5 проецируется на экран или в бесконечность с. По сравнению с техническим решением с маской, прямое формирование светящегося символа выполняется без потерь и, соответственно, с сильной интенсивностью света.

При произвольно выполняемом поперечном сечении световода необходимо также исследовать, осуществляется ли смешивание светодиодных кристаллов в центре по сравнению с кристаллами в краевых областях с разным качеством. При необходимости следует предусмотреть более длинный световодный стержень 2.

Вместо полноцветного или мультисветодиода могут также предусматриваться отдельные маленькие светодиоды, например так называемые плотно расположенные чиповые светодиоды (Chip-LED). При этом могут комбинироваться любые отдельные цвета. Также применение одинаковых цветов возможно, чтобы увеличить полную яркость, но также для того, чтобы сконструировать резервный источник света с несколькими кристаллами, например для задач безопасности. При отказе одного светодиода или при переключении на другие не происходит никакого изменения в распределении света или в внешних свойствах. Однако в случае необходимости может также по желанию изменяться цвет.

Источник света оптической системы может, разумеется, также оснащаться только одним светодиодным кристаллом. Тем самым также для отдельного цвета с малыми затратами формируется такое же распределение света, так как часто полноцветные индикаторные панели имеют смежные одноцветные области, например, для дополнительного текста.

Белые светодиоды часто критикуют за то, что в центре излучается синий свет от синего светодиодного кристалла, а к краю желтый свет от конверсионной массы. Соответствующая изобретению оптическая система смешивает их с помощью различий в цвете, обусловленных светодиодной конструкцией, так как неоднородно светящиеся плоскости белых светодиодов могут всегда рассматриваться как совокупная компоновка нескольких светодиодных кристаллов различных цветов и яркости.

Предложенное изобретение может, разумеется, использоваться и в любых других применениях, например плотно расположенные оптические системы находят применение как прожекторы освещения сцены со скроллером или как осветительные приборы направленного света в области общего освещения или декоративного освещения, а также как карманные фонарики или сигнальные огни. Оптическая система является к тому же произвольно масштабируемой, так что могут использоваться высокомощные светодиоды, которые доступны с несколькими светодиодными кристаллами в общем корпусе или в конструктивном варианте бескорпусного монтажа кристаллов на печатной плате с плоской плоскостью вывода.

Claims (20)

1. Собирающая оптическая система, смешивающая цвета и свет, в частности, как полноцветный пиксель для устанавливаемых вне помещений индикаторных панелей, предназначенных для передачи изображения, для направленных световых источников или сигнализации, состоящая из светодиодного (LED) источника света, а также расположенного перед ним световодного стержня и собирающей линзы, отличающаяся тем, что светодиодный источник света (1) имеет несколько светодиодных кристаллов (R, G, В), причем плоскость (3) ввода света световодного стержня (2) расположена перед плоскостью вывода света светодиодного источника света (1) и захватывает свет каждого светодиодного кристалла, причем световодный стержень (2) ориентирован перпендикулярно своей плоскости (3) ввода, при этом его поперечное сечение является постоянным или постепенно увеличивается, причем вывод (4) света световодного стержня (2) находится в области фокуса (F) собирающей линзы (5), и причем собирающая линза (5) не только фокусирует параллельно оси свет, исходящий из средней точки (F), но и фокусирует параллельно в соответствующих направлениях (р) свет, исходящий сбоку от области фокуса (F) из точек (Р) вывода (4) света.

2. Собирающая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что световодный стержень (2) имеет длину, которая составляет кратное значение поперечника плоскости (3) ввода.

3. Собирающая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что светодиодные кристаллы излучают различные цвета.

4. Собирающая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что источник (1) света представляет собой полноцветный или мультисветодиод с некоторым числом кристаллов и/или цветов в общем корпусе.

5. Собирающая оптическая система по п. 4, отличающаяся тем, что источник (1) света представляет собой полноцветный или мультисветодиод с тремя кристаллами основных цветов красного, зеленого и синего.

6. Собирающая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что источник (1) света состоит из нескольких светодиодов с отдельными плотно расположенными кристаллами и одинаковым направлением излучения.

7. Собирающая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что источник (1) света выполнен из нескольких кристаллов на общей печатной плате по технологии бескорпусного монтажа кристалла на печатной плате (Chip-on-Board).

8. Собирающая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что светодиодные кристаллы приводятся в действие на электрически отдельных источниках тока и, при повреждении одной цепи, другой или следующий светодиодный кристалл продолжает светиться, и, тем самым, реализуется отказобезопасность или также смена цвета излучения.

9. Собирающая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что плоскости вывода света светодиодов непосредственно прилегают к плоскости (3) ввода световодного стержня (2).

10. Собирающая оптическая система по п. 8, отличающаяся тем, что боковая поверхность световодного стержня (2) образована из плоскостей, которые прилегают друг к другу острыми кромками, и, тем самым, каждое перечное сечение имеет форму многоугольника.

11. Собирающая оптическая система по п. 10, отличающаяся тем, что поперечное сечение световода представляет собой равносторонний треугольник или правильный шестиугольник, квадрат или прямоугольник.

12. Собирающая оптическая система по п. 10, отличающаяся тем, что поперечное сечение световодного стержня (2) по его длине остается постоянным или постепенно расширяется.

13. Собирающая оптическая система по п. 10, отличающаяся тем, что световодный стержень (2) на всех своих поверхностях является оптически зеркально полированным и его материал свободен от светорассеивающих компонентов.

14. Собирающая оптическая система по п. 10, отличающаяся тем, что световой вывод (4) световодного стержня (2) по своему очертанию уже в значительной степени соответствует перевернутому требуемому распределению света и выходящий свет излучается через впереди включенную собирающую линзу (5) согласно оптическому закону проецирования в форме вертикального контура.

15. Собирающая оптическая система по п. 12, отличающаяся тем, что поперечное сечение световода имеет форму стрелки, креста или подобного символа.

16. Собирающая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что за собирающей линзой установлены оптические структуры, посредством которых распределение света изменяется или рассеивается.

17. Собирающая оптическая система по п. 16, отличающаяся тем, что оптические структуры (7) наложены на внешнюю поверхность (6) собирающей линзы (5).

18. Собирающая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что световой вывод (4) световодного стержня (2) имеется лишь виртуально и световодный стержень (2) непосредственно переходит в собирающую линзу (5).

19. Собирающая оптическая система по п. 16, отличающаяся тем, что к удлинению световода (2) прилегают оптические плоскости (8, 8а) или поверхностные структуры (7), которые фокусируют, отклоняют или рассеивают выходящий свет посредством преломления или полного отражения.

20. Собирающая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что источник (1) света посредством применения конверсионного материала имеет плоскость вывода света с компоновкой без пропусков светодиодных кристаллов, которые имеют локально различные свойства цвета и яркости.

Images