СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ РАВНОМЕРНОГО ПРОЕКЦИОННОГО ОСВЕЩЕНИЯ
METHOD AND APPARATUS FOR FORMATION OF UNIFORM PROJECTION ILLUMINATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к приспособлениям и способам проекционного освещения для размещения источников света и оптических устройств с такими приспособлениями для обеспечения, по существу, равномерного проекционного освещения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Приспособления проекционного освещения концентрируют свет в определенном направлении. Эти приспособления уже в течение многих лет используются в театрах, на телевидении, в архитектуре, а также в целях общего освещения (например, потолочная проекция, местное освещение, полупроводниковые сборки, в медицинском и научном оборудовании, для освещения взлетно-посадочных полос в аэропортах, высотных зданий и т.п.). Обычно такие приспособления включают в себя лампы накаливания или газоразрядные лампы, установленные рядом с вогнутым отражателем, который отражает свет через сборку линз, для проецирования узкого луча света на значительном расстоянии в направлении объекта назначения.
В последние годы в некоторых типах приспособлений проекционного освещения начали использоваться также и светоизлучающие диоды (светодиоды). Особенное внимание промышленных потребителей привлекают поверхностные сборки или сборки типа «микросхема-на плате», состоящие из одного или нескольких светодиодов, выполненные на печатных платах, или так называемые светодиодные сборки типа «микросхема-на плате», для использования в приложениях, когда необходимая высокая яркость светового луча должна сочетаться с созданием узкой направленности (для получения «плотной» фокусировки или низкой геометрической расходимости освещения). Под светодиодными сборками типа «микросхема-на плате» обычно понимаются один или несколько полупроводниковых микросхем (или «кристаллов»), на которых образовано одно или несколько светодиодных переходов, и эта микросхема (микросхемы) посажена (то есть, припаяна) непосредственно на печатную плату. Эта микросхема (или микросхемы) соединена(ы) с печатной платой проводниками, после чего сверху может быть нанесена микрокапля эпоксидной смолы или пластмассы для покрытия микросхемы (микросхем), и проводных соединений. Одна или несколько таких светодиодных сборок («пакетов светодиодов») в свою очередь могут быть установлены на общую монтажную плату или подложку приспособления освещения.
Для использования в некоторых приложениях узконаправленного луча со светодиодными микросхемами или кристаллами с целью облегчения фокусировки испускаемого света и формирования узконаправленного луча коллимированного света эти сборки типа «микросхема-на плате» могут работать вместе с оптическими элементами. Коллимированный свет - такой свет, лучи которого идут параллельно и, таким образом, имеют плоский волновой фронт. Оптические системы для коллимирования видимого света, часто называемые «коллиматорными линзами» или «коллиматорами», известны из общего уровня техники. Эти системы захватывают и перенаправляют свет, испускаемый световым источником для повышения его направленности. Одним из таких коллиматоров является коллиматор полного внутреннего отражения. Коллиматор полного внутреннего отражения включает в себя отражающую внутреннюю поверхность, установленную для захвата большей части света, испускаемого источником света и попадающего в коллиматор. Отражающая поверхность обычного коллиматора полного внутреннего отражения, как правило, имеет форму конического сечения, то есть является параболической, эллиптической или гиперболической.
Представленный на фиг. 1 обычный коллиматор (100) полного внутреннего отражения собирает свет, испускаемый светодиодным источником (112) света (который может включать в себя светодиодную сборку типа «микросхема-на плате» или «пакет светодиодов», включающий в себя один или несколько светодиодных переходов), и направляет его таким образом, чтобы он выходил из верхней части (113) коллиматора. Часть светового излучения от источника (112) проходит через первичную оптику (114) в первую полость (116), затем через центрально расположенную линзу (118) и выходит наружу через вторую полость (120). Остальная часть света выходит через прозрачную поверхность (122) или кромку (124), которая используется для крепления коллиматора (100) в держателе (не показана). Свет, который не проходит через центральную линзу, падает на внутреннюю боковую стенку (126) и, проходя из воздуха первой полости в пластмассовый материал коллиматора, преломляется. После этого он отражается от внутренней отражающей поверхности (129). Отраженный свет вновь преломляется, проходя из пластмассового тела коллиматора наружу, на прозрачной поверхности (122). Эта отражающая поверхность является конической, так что форма поперечного сечения коллиматора на этой отражающей поверхности является параболической, как показано на фиг. 1.
В коллиматоре, показанном на фиг. 1, на отражающей поверхности (129) происходит полное внутреннее отражение, что накладывает ограничения на общую форму и кривизну профиля поперечного сечения отражающей поверхности. Из-за наличия разницы между показателем преломления коллиматора (100) и показателем преломления окружающего воздуха, законом Снелла устанавливается и определяется критический угол для угла падения, образованного между падающим лучом света и нормалью к отражающей поверхности. В соответствии с ним при углах падения, превышающих критический угол, весь свет отражается, а через отражающую поверхность (129) или вдоль отражающей поверхности (129) никакого излучения не передается, то есть при этом обеспечивается полное внутреннее отражение. Для поверхности раздела «пластмасса (показатель преломления около 1,59) - воздух (показатель преломления 1)» критический угол составляет около 39 градусов. Таким образом, отражающая поверхность (129) имеет «наклонную» форму, такую, чтобы для всего света обеспечивался угол падения, больший чем примерно 39 градусов.
Теоретически обычные коллиматоры могут создавать идеально коллимированный свет от расположенного в его фокусе идеального точечного источника. Однако при использовании таких коллиматоров в практических приложениях, с источником света существенной области поверхности (таким, как светодиодный источник света), свет коллимируется не полностью, а направляется в виде расходящегося конического луча. Например, свет, выводимый от обычного светодиодного источника (светодиодная сборка типа «микросхема-на плате»), может излучаться в виде конического луча с углом расходимости примерно 110 градусов (то есть, примерно по 55 градусов по каждую сторону от центральной оси в направлении распространения света), а коллиматор, подобный показанному на фиг. 1, может переориентировать созданный свет в более узкий конический луч с углом расходимости примерно 10 градусов (то есть, примерно по 5 градусов по каждую сторону от центральной оси).
В некоторых приложениях узконаправленного луча, включающих пакет светодиодов (то есть, со светодиодными сборками типа «микросхема-на плате», включающими в себя один или несколько переходов) и с соответствующим коллиматором, может возникнуть проблема, связанная созданием изображения микросхемой или кристаллом. Дело в том, что при относительно небольших используемых коллиматорах вместе с пакетом светодиодов обычно квадратная или прямоугольная форма светоизлучающей части пакета светодиодов (то есть, сборки одной или нескольких микросхем в пакет) может создать подобную же, квадратную или прямоугольную форму картины распределения освещенности в удаленном поле света, проецируемого от коллиматора. То есть, вследствие коллимации квадратная или прямоугольная форма светоизлучающей части пакета светодиодов может быть «изображена» в удаленном поле, что в некоторых обстоятельствах может привести к нежелательной неравномерности освещенности. Более того, при наличии в составе пакета светодиодов множества переходов, которые создают соответственно различные длины волн света («многоцветные пакеты», такие как RGGB, BGGA или RGBW), задача создания узконаправленного оптического прибора еще более усложняется из-за возникновения в пакете «цветовой рассогласованности».
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные варианты исполнения настоящего изобретения направлены непосредственно к созданию устройств проекционного освещения на основе светодиодов, а также к способам расположения таких источников света и оптических систем таких устройств, чтобы способствовать равномерному освещению освещаемого поля назначения.
В одном из вариантов исполнения настоящего изобретения устройство проекционного освещения включает в себя множество пакетов светодиодов (то есть, «поверхностные» светодиодные сборки или светодиодные сборки типа «микросхема-на плате», каждая из которых включает в себя один или более светодиодный переход), установленных на общей монтажной плате или подложке, причем каждый пакет связан с соответствующей коллимирующей оптической системой («коллиматором»). В одном аспекте исполнения настоящего изобретения общая монтажная плата, на которой находятся множество пакетов светодиодов, включает опорную ось, расположенную в плоскости этой платы (то есть, вертикальная или горизонтальная оси платы). Один или несколько пакетов светодиодов расположены на этой плате таким образом, что имеют возможность поворота относительно этой опорной оси по часовой стрелке или против часовой стрелки, при этом, по крайней мере, два из пакетов светодиодов вращаются в разных направлениях. Свет, проецируемый из соответствующих коллиматоров, связанных с многожеством пакетов светодиодов, по крайней мере, частично перекрывается на освещаемом поле назначения, при этом разные направления вращения, по крайней мере, двух из пакетов светодиодов способствуют существенной равномерности освещенности освещаемого поля назначения.
В соответствии с приводимым далее более подробным описанием, один из вариантов исполнения настоящего изобретения направлен на устройство освещения, содержащее, по существу, плоскую монтажную плату, имеющую первую опорную ось в первой плоскости, определяемой монтажной платой, и множество источников света на основе светодиодов, расположенных на этой монтажной плате. Каждый источник света имеет вторую опорную ось, указывающую ориентацию источника света, причем вторая опорная ось каждого источника света назначается одинаково для всех источников света из множества источников света.
Множество источников света на основе светодиодов расположено на монтажной плате таким образом, что первая ориентация первого источника света из множества источников света относительно первой опорной оси монтажной платы отлична от, по крайней мере, одной другой ориентации, по крайней мере, одного другого источника света из их множества источников света относительно первой опорной оси монтажной платы.
Другой вариант исполнения настоящего изобретения направлен на способ для обеспечения равномерного проекционного освещения, содержащий расположение множества источников света на основе светодиодов, по существу, на плоской монтажной плате таким образом, что, по крайней мере, два источника света на основе светодиодов, установленные на общей монтажной плате, из множества источников света на основе светодиодов, имеют различную ориентацию. При подаче питания множество источников света на основе светодиодов создает соответствующее множество коллимированных световых лучей в направлении освещаемого поля назначения, причем на освещаемом поле назначения эти лучи, по крайней мере, частично перекрываются.
Еще один вариант исполнения настоящего изобретения направлен на приспособление проекционного освещения, содержащее, по существу, плоскую монтажную плату, имеющую первую опорную ось в первой плоскости, определяемой монтажной платой, и множество расположенных на этой монтажной плате пакетов светодиодов. Каждый пакет светодиодов содержит сборку типа «микросхема-на плате» из множества светодиодных микросхем и коллиматор, связанный со сборкой типа «микросхема-на плате». Каждый пакет светодиодов имеет вторую опорную ось, указывающую ориентацию пакета, причем вторая опорная ось каждого пакета светодиодов является назначенной одинаково для всех пакетов из множества пакетов. Множество пакетов светодиодов расположено на монтажной плате таким образом, что каждый пакет имеет свою ориентацию относительно первой опорной оси монтажной платы.
Используемый в данном тексте в связи с настоящим описанием термин «светодиод» должен пониматься как элемент, включающий в себя электролюминесцентный диод или элемент иного типа системы, основанной на «инжекции/переходе», способный в ответ на поступивший электрический сигнал генерировать световое излучение. Таким образом, термин «светодиод» включает в себя, но этим не ограничивается, различные структуры на основе полупроводников, которые в ответ на подачу электрического тока испускают свет, - светоизлучающие полимеры, органические светоизлучающие диоды, электролюминесцентные полоски и тому подобные устройства.
В частности, термин «светодиод» относится к светоизлучающим диодам всех типов (включая полупроводниковые и органические светоизлучающие диоды), которые могут быть выполнены с возможностью создания излучения в одном или нескольких из инфракрасного спектра, ультрафиолетового спектра, а также в различных участках видимого спектра (обычно, включая длины волн излучения примерно от 400 до 700 нанометров). Некоторыми примерами светодиодов являются, но ими не ограничиваются, различные типы инфракрасных и ультрафиолетовых светодиодов, а также «красные», «синие», «зеленые», «желтые», «янтарные», «оранжевые» и «белые» светодиоды (далее описаны более подробно). Следует также отметить, что светодиоды могут быть сконфигурированы и/или управляемы с возможностью создания излучения, имеющего различную ширину полосы частот (то есть, полная ширина полосы частот на уровне половины максимального) определенного спектра (то есть, узкая или широкая полоса частот) со множеством доминантных длин волн внутри заданной общей цветовой категоризации.
Например, светодиод в одном из исполнений, сконфигурированный для чисто белого света (так называемый «белый» светодиод), может включать в себя некоторое число кристаллов, которые излучают в различных спектрах электролюминесцентного излучения и, будучи смешанными, образуют, по существу, белый свет. В другом исполнении светодиод белого света может быть ассоциирован с фосфорным материалом, который преобразует электролюминесцентное излучение с первым спектром в излучение, имеющее иной, второй спектр. В одном из примеров такого исполнения фосфорный материал «накачивается» электролюминесцентным излучением и узкой шириной полосы спектра, который, в свою очередь, генерирует излучение большей длины волны в достаточно широком спектре.
Следует также понимать, что термин «светодиод» никак не ограничивает физический или электрический тип пакета из светодиодов. Например, как уже отмечалось выше, светодиод может означать одно светоизлучающее устройство, имеющее множество кристаллов, которое выполнено с возможностью излучения в различных спектрах излучения (то есть, это может допускать, а может и не допускать «индивидуальное» управление). Кроме того, светодиод может ассоциироваться с фосфором, который считается неотъемлемой частью светодиодов (например, некоторых типов «белых» светодиодов). В общем случае термин «светодиод» может относиться к пекетированным светодиодам, непакетированным светодиодам, поверхностным светодиодам, к светодиодам типа «микросхема-на-плате», к Т-пакетам светодиодов, к радиальным пакетам светодиодов, к пакетам силовых светодиодов, к светодиодам, включающим в себя некоторые типы корпуса или оптические элементы (например, рассеивающие линзы) и т.п.
Термин «источник света» следует понимать как относящийся к любому одному или нескольким из источников излучения, включающих (но ими не ограниченных) такие источники излучения, как источники на основе светодиодов (включающие, как было определено выше, один или более светодиодов), источники на основе ламп накаливания (нитяные, галогеновые лампы), флуоресцентные источники, фосфоресцентные источники, высокоинтенсивные разрядные источники (например, лампы на основе паров натрия, ртути, металлогалогенидные лампы), лазеры, другие типы электролюминесцентных источников, пиролюминесцентные источники (например, на основе пламени), газолюминесцентные источники (например, источники типа газокалильная сетка, угольные дуговые источники), фотолюминесцентные источники (например, газоразрядные источники), катодолюминесцентные источники, использующие электронное пресыщение, гальванолюминесцентные источники, кристаллолюминесцентные источники, кинолюминесцентные источники, триболюминесцентные источники, сонолюминесцентные источники, радиолюминесцентные источники и люминесцентные полимеры.
Данный источник света может быть выполнен с возможностью генерации электромагнитного излучения в видимой области спектра, вне видимой области спектра или и в той, и в другой областях. Следовательно, в данном контексте термины «свет» и «излучение» используются взаимозаменяемо. Кроме того, источник света может включать в себя в качестве общего компонента один или несколько фильтров (например, цветных фильтров), линзы и иные оптические компоненты. Далее, следует понимать, что источники света могут быть сконфигурированы под множество самых различных применений, таких как, но не ограниченных этими примерами, индикация, демонстрация или освещение. «Источник освещения» - есть источник света, который сконфигурирован с возможностью генерации излучения, имеющего достаточную интенсивность для эффективного освещения внутреннего или внешнего пространства. В этом контексте выражение «достаточная интенсивность» означает лучистую энергию видимого диапазона спектра, излучаемую в пространство или окружающее пространство (часто для представления общего количества света, выходящего из источника света во всех направлениях, используется единица «люмен» как термин, относящийся к лучистой энергии или «световому потоку»), для обеспечения внешнего освещения (то есть, свет, который может быть осязаем опосредованно, то есть, будучи, например, отраженным одной или множеством расположенном на его пути поверхностей, прежде чем будет воспринят, частично или полностью).
Термин «спектр» должен пониматься как относящийся к излучению одной частоты или совокупности частот (или длин волн), производимому одним источником света или несколькими. Соответственно, термин «спектр» относится к частотам (или длинам волн) не только видимого диапазона, но и к частотам инфракрасного, ультрафиолетового и других диапазонов всего электромагнитного спектра. Кроме того, данный спектр может иметь относительно узкую ширину полосы спектра (например, полуширина спектра на уровне полумаксимума излучения включает всего лишь несколько составляющих частот или длин волн) или относительно широкую ширину полосы спектра (несколько составляющих частот или длин волн, имеющих различную относительную интенсивность). Следует также отметить, что данный спектр может получиться в результате смешения двух или более различных спектров (речь идет о смешивании излучения, испускаемого из нескольких источников света).
В контексте данного описания изобретения термин «цвет» используется попеременно с термином «спектр». Однако в общем случае термин «цвет» используется главным образом для обозначения индивидуально воспринимаемой наблюдателем характеристики излучения (хотя в этом использовании нет намерения ограничить значение данного термина). Соответственно, подразумевается, что термин «различные цвета» относится к множественным спектрам, составленным из компонентов с разными длинами волн или шириной полос спектра. И здесь также следует отметить, что термин «цвет» может использоваться как в связи с небелым, так и в связи с белым светом.
Термин «цветовая температура» в данном тексте обычно используется в связи с белым светом, хотя это использование не имеет намерения ограничить значение данного термина. Цветовая температура, по существу, направлена на содержание определенного цвета или оттенка белого цвета (то есть, «красноватый», «синеватый»). Цветовая температура данного конкретного излучения обычно характеризуется температурой излучателя черного тела (в градусах Кельвина - К), который испускает излучение, по существу, с таким же самым спектром, что и данное излучение. Цветовая температура излучателя черного тела обычно лежит в диапазоне от, примерно, 700 К (обычно считается, что это первое излучение, видимое человеческим глазом) до более чем 10000 К; белый свет обычно воспринимается при цветовых температурах более 1500-2000 К.
Более низкие цветовые температуры обычно свидетельствуют о том, что в белом свете в большей степени присутствует красный компонент или «более теплый», а более высокие цветовые температуры указывают на присутствие в нем в большей степени синего компонента или «более холодного». В качестве примеров: цветовая температура пламени составляет примерно 1800 К, обычная лампа накаливания имеет цветовую температуру примерно 2848 К, дневной свет ранним утром имеет цветовую температуру примерно 3000 К, а дневное покрытое облаками небо имеет цветовую температуру примерно 10000 К. Цветное изображение, видимое в белом свете, имеющем цветовую температуру примерно 3000 К, имеет относительно красноватый оттенок, в то время как то же самое цветное изображение, рассматриваемое в белом свете, имеющем цветовую температуру примерно 10000 К, имеет относительно синеватый оттенок.
Термин «приспособление освещения» здесь означает исполнение или расположение одного или нескольких блоков освещения в особой форме, сборке или пакете. Термин «блок освещения» используется здесь для обозначения устройства, включающего в себя один или более источников света одного или различного типов. Данный блок освещения может иметь одно или несколько установочных размещений для источника(ов) света, размещения и формы корпуса/кожуха, и/или конфигурации электрических и механических соединений. Кроме того, конкретный блок освещения может быть на выбор связан (то есть, может включать в себя, быть присоединенным, быть совместно установленным в пакет) с различными другими компонентами (например, со схемой управления), относящимися к работе источника(ов) света. «Блок освещения на основе светодиода» означает блок освещения, который включает в себя один или несколько источников света на основе светодиодов, подобных вышеописанным, взятых отдельно или в комбинации с другими, «несветодиодными» источниками света.
Необходимо отметить, что все описываемые далее в подробностях комбинации конструктивных концепций, а также дополнительные конструктивные концепции задуманы как части конструктивного исполнения в соответствии с раскрываемой здесь сущностью настоящего изобретения. В частности, все следующие в конце данного документа указанные в пунктах формулы изобретения комбинации отличительных признаков также являются частью сущности изложенного здесь изобретения. Наконец, следует отметить, что используемая здесь в определенном значении терминология, которая может встречаться и в любом документе, указанном здесь в качестве ссылки, должна толковаться в соответствии со значением, наиболее соответствующим конкретной изложенной здесь концепции изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На приведенных чертежах одноименные позиции, как правило, относятся к одним и тем же частям по всем чертежах. Кроме того, масштабы чертежей не обязательно соответствуют друг другу: при составлении чертежей упор делался на иллюстрацию признаков настоящего изобретения.
Фиг. 1 представляет собой поперечное сечение коллиматора обычного светодиода.
На фиг. 2 показан упрощенный вид в перспективе сверху примерного приспособления проекционного освещения, в соответствии с одним из вариантов исполнения настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет собой схематический вид сбоку приспособления освещения по фиг. 2, на котором показано поле назначения, освещенное этим приспособлением освещения в соответствии с одним из вариантов исполнения настоящего изобретения.
Фиг. 4 представляет собой увеличенный вид картины распределения интенсивности излучения в удаленном поле, полученной от приспособления проекционного освещения, как иллюстрация явления изображения микросхемы или матрицы.
Фиг. 5 иллюстрирует приспособление проекционного освещения в соответствии с другим вариантом исполнения настоящего изобретения, в котором используются пакеты многоцветных светодиодов.
Фиг. 6 иллюстрирует приспособление проекционного освещения в соответствии с еще одним вариантом исполнения настоящего изобретения, в котором используются пакеты одноцветных светодиодов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее следует более подробные описания различных конструктивных концепций, имеющих отношение к вариантам воплощения способов и устройств равномерного проекционного освещения, в соответствии с настоящим описанием. Следует заметить, что представленные выше и далее описываемые более подробно разнообразные аспекты настоящего изобретения могут быть воплощены любым из многочисленных способов, поскольку сущность изобретения никак не ограничивается каким-либо определенным вариантом его исполнения. Примеры конкретных конструктивных воплощений и применений приведены здесь главным образом как иллюстративные.
На фиг. 2 показан упрощенный вид в перспективе сверху примерного приспособления (300) проекционного освещения, в соответствии одним из вариантов исполнения настоящего изобретения. Приспособление (300) проекционного освещения включает в себя множество источников (301) света, установленных на общую монтажную плату (302). В одном из вариантов настоящего изобретения каждый из источников (301) света может содержать «пакеты светодиодов», то есть, светодиодные сборки типа «микросхема-на-плате», включающие в себя одну или несколько полупроводниковых микросхем (или «кристаллов»), в каждой из которых образован один или несколько светодиодных переходов, в которых эти микросхемы установлены (то есть припаяны) непосредственно на печатную плату. В примере приспособления, показанном на фиг. 2, каждый из источников (301) света ради иллюстративности изображен как включающий в себя одну или несколько, по существу, прямоугольных светодиодных микросхем (303), расположенных на соответствующей печатной плате (307) шестиугольной формы, в которой каждый из источников (301) света, содержащий микросхемы (303) и печатную плату (307), в свою очередь, расположен на общей монтажной плате (302).
В различных вариантах исполнения данный источник (301) света приспособления (300) освещения, показанного на фиг. 2, может включать в себя либо единственный светодиодный переход, сформированный на одной микросхеме (303), либо множество светодиодных переходов, сформированных на множестве микросхем (303), расположенных на одной и той же печатной плате (307). Например, в одном из вариантов исполнения изобретения данный источник (301) света, включающий в себя один или несколько светодиодных переходов, при подаче на него питания испускает излучение, по существу, одного спектра. В других вариантах исполнения данный источник (301) света может быть «пакетом многоцветных светодиодов» и включать в себя множество светодиодных переходов (то есть, множество микросхем (303)), которые при подаче на них питания дают множество различных спектров излучения. Таким образом, необходимо заметить, что данное приспособление (300) освещения, в соответствии с настоящим изобретением, может быть выполнено с возможностью создания, по существу, одного спектра излучения (в котором каждый источника (301) света дает, по существу, один и тот же спектр излучения) или может быть выполнено с возможностью создания множества спектров излучения (в котором некоторые или все источники (301) света являются пакетами многоцветных светодиодов). В одном иллюстративном примере исполнения один или более источников (301) света приспособления (300) могут быть пакетом из светодиодов Cree XLampXR-E (поставляются компанией «Cree,Inc.», Durham, шт. Сев. Каролина, США), которые создают одинаковый спектр излучения. В другом примере исполнения один или более источников (301) света приспособления (300) могут быть пакетом из светодиодов OSTAR-Projection LE ATB A2A (поставляются компанией «OSRAM Opto Semiconductors GmbH»), каждый из которых представляет собой четырехпереходный пакет, выполненный с возможностью создания излучения янтарного, зеленого и синего цветов. Кроме того, хотя на фиг. 2 показано десять источников (301) света, расположенных на общей монтажной плате (302), следует заметить, что приспособления освещения в соответствии с различными вариантами исполнения настоящего изобретения в этом отношении никак не ограничены, поскольку на общей монтажной плате (302) может быть расположено и размещено, а в приспособление (300) освещения включено различное количество источников света.
Кроме того, как показано на фиг.2, каждый источник (301) света может быть связан с коллимирующей оптической системой или «коллиматором» (315), подобным изображенному на фиг.1, включающему отражатель (305) и линзу (309). В одном из вариантов исполнения в соответствии с настоящим изобретением линза (309) может представлять собой проецирующую систему линзы, например выпуклую линзу, способную захватывать и направлять свет в нужном направлении. В другом варианте исполнения настоящего изобретения коллиматоры (315) могут быть основаны на принципах полного внутреннего отражения, как это было описано в связи с фиг. 1. Чтобы показать перспективный вид иллюстрации на фиг.2 коллиматоры изображены слегка смещенными относительно центров соответствующих источников света. Фиг. 3 представляет собой схематический вид с боку приспособления (300) освещения, на котором изображены четыре источника (301) света с соответствующими коллиматорами (315). Как показано на фиг. 3, в соответствии с одним из вариантов исполнения изобретения источники света и коллиматоры размещены таким образом, что приспособление (300) освещения создает узкий высокоинтенсивный луч (320) излучения, падающий на поле (310) назначения, и что соответствующие лучи (320A), (320B), (320C) и (320D) излучения, проецируемые от каждой из пары «коллиматор-источник света», по существу, перекрываются на поле назначения освещения и образуют узкий луч (320).
В некоторых узколучевых приложениях с пакетами светодиодов (то есть, с «печатными» светодиодными сборками, включающими в себя один или несколько переходов) и с соответствующими коллиматорами может возникнуть проблема, связанная с явлением микросхемы или изображения кристалла. Дело в том, что при относительно небольших размерах коллиматоров используемых с пакетами светодиодов обычная геометрическая форма светоизлучающей части самого пакета светодиодов (то есть, одна или несколько микросхем) может создать подобный же профиль в спроектированной коллиматором картине распределения облученности удаленного поля назначения. На фиг. 4 приведена увеличенная иллюстрация этого явления. Взятое в качестве примера приспособление (300) освещения включает в себя шесть источников (301) света шестиугольной формы, установленных на общей монтажной плате (302); для определенности описания будем полагать, что действительная светоизлучающая часть каждого источника имеет шестиугольную форму и связана с соответствующими коллиматорами (на фиг. 4 не показанным), и что источники света проецируют соответствующие лучи излучения (например лучи (320А), (320В) и (320С)) в направлении поля (310) назначения освещения (на практике, как уже говорилось ранее, светоизлучающая часть пакета светодиодов, содержащего одну или несколько микросхем, обычно является квадратной или прямоугольной). Лучи, проецируемые от каждой пары «источник света-коллиматор», по крайней мере, частично перекрываются и образуют узкий луч (320) излучения, который падает на поле (310) назначения освещения. Как показано на фиг. 4, в некоторых случаях картина распределения облученности удаленного поля от узкого луча (320) излучения, падающего на поле (310) назначения освещения, может иметь общую форму, которая напоминает форму микросхемы (микросхем) источника света; таким образом, в результате коллимации светоизлучающая часть пакета светодиодов может быть «изображена» в удаленном поле, что образует неравномерность его облученности, которая в некоторых случаях может быть нежелательной. Более того, если пакеты светодиодов включают в себя несколько переходов, которые генерируют свет различных длин волн («многоцветные пакеты», такие как RGGB, BGGA или RGBW), то в поле (310) назначения освещения может иметь место и спектральная неравномерность, при которой в разных областях поля (310) назначения освещения от «многоцветных пакетов» будут концентрироваться различные спектры источников (не смешиваясь и не перемешиваясь по всей поверхности этого поля назначения освещения).
В соответствии с одним из вариантов исполнения настоящего изобретения с целью значительного уменьшения, а в некоторых случаях и исключения нежелательной неравномерности облученности или спектральной неравномерности поля (310) назначения освещения ориентация каждого отдельного источника света относительно друг друга на общей монтажной плате (302) выбирается такой, что их соответствующие световые проекции, по крайней мере, частично перекрывающиеся на поле назначения освещения, создают на этом поле назначения освещения по существу равномерную освещенность.
Возвращаясь вновь к фиг. 2, видим, что в этом варианте исполнения изобретения для общей монтажной платы (302) приспособления освещения выбрана первая опорная ось. Например, если общая монтажная плата прямоугольной формы, как показано на фиг. 2, то в качестве первой опорной оси может быть выбрана любая прямая, параллельная одной из сторон этой общей монтажной платы. На фиг. 2 первой опорной осью (510) выбрана «вертикальная» ось, параллельная вертикальным сторонам прямоугольной общей монтажной платы (302). Однако следует отметить, что в качестве альтернативной опорной оси может служить и горизонтальная ось, параллельная одной из горизонтальных сторон прямоугольной общей монтажной платы. В общем случае, фактически любая линия, лежащая в плоскости общей монтажной платы (302), может служить для этой монтажной платы опорной осью.
В дополнение, для каждого источника (301) света назначается (выбирается) вторая опорная ось. Вторая опорная ось для каждого источника света может быть выбрана в соответствии с любым из множества критериев, лишь бы опорная ось источника света для каждого источника назначалась одинаково для всех источников света, используемых в данном приспособлении освещения, таким образом, что, когда опорные оси всех источников света были направлены в одном направлении, все источники света имеют одинаковую ориентацию относительно первой опорной оси общей монтажной платы. На фиг. 2 поверхность микросхемы каждого из пакетов светодиодов, служащего в качестве источника (301) света, имеет, по существу, квадратную или прямоугольную форму, а в целях наглядности ось источника света проведена через центр поверхности микросхемы параллельно более длинной стороне этой прямоугольной формы. Снова отметим, что для выбора опорной оси, показывающей ориентацию любого взятого источника света приспособления, могут быть использованы другие критерии. Как показано на фиг. 2, источник (301А) света имеет соответствующую вторую опорную ось (512А), а источник (301В) света имеет соответствующую вторую опорную ось (512В), а источник (301С) света имеет соответствующую вторую опорную ось (512С).
В соответствии с одним из вариантов исполнения настоящего изобретения любая линия, параллельная первой опорной оси (510) общей монтажной платы (302), может служить опорной осью для поворота любого источника света в приспособлении. Как только для общей монтажной платы (302) выбрана первая опорная ось, пакеты светодиодов, являющиеся источниками света (301), располагаются на этой общей монтажной плате (302) таким образом, чтобы ориентации, по крайней мере, двух источников света относительно первой опорной оси были различными. Более конкретно, как показано на фиг. 2, источник (301А) света повернут таким образом, что его ось (512А) образует угол (514А) с линией (510А), являющейся параллельной первой опорной оси (510). Подобным же образом, источник (301В) света повернут таким образом, что его ось (512В) образует угол (514В) с линией (510В), являющейся параллельной первой опорной оси (510), а источник (301С) света повернут таким образом, что его ось (512С) образует угол (514С) с линией (510С), также являющейся параллельной первой опорной оси (510). В общем, любой один или более источник (301) света может быть повернут в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки в плоскости, параллельной плоскости общей монтажной платы (302) относительно линии, параллельной первой опорной оси (510), таким образом, чтобы, по крайней мере, два из источников света имели различные повороты/ориентации (то есть, один источник света может быть не повернут, то есть, может иметь нулевой поворот, в то время как, по крайней мере, другой источник света имеет не нулевой поворот, или, по крайней мере, два источника света могут иметь соответствующие различные не нулевые повороты и т.д.). Следует заметить, что поворот заданного источника света может быть измерен относительно первой опорной оси (510), либо могут быть измерены развороты между различными источниками света. Например, на схеме, приведенной на фиг. 2, общий угол поворота между источниками (301А) и (301В) света определяется вычитанием угла (514В) из угла (514А), а полный угол поворота между источниками (301В) и (301С) света определяется вычитанием угла (514С) из угла (514В).
max
В соответствии с одним из вариантов исполнения изобретения каждый пакет светодиодов, являющийся источником (301) света, имеет на общей монтажной плате (302) приспособления освещения (300) свою собственную ориентацию/поворот. Например, для данного количества М пакетов светодиодов приспособления (300) освещения только два пакета светодиодов могут быть расположены с общим углом поворота между их соответствующими осями nA, где n - целая величина, изменяющаяся в диапазоне от 1 до М-1, а А есть угол, определенный делением максимального желаемого диапазона поворота R на М (здесь угол поворота каждого источника относительно второй опорной оси (510) измеряется в одном и том же направлении, то есть, по часовой стрелке или против часовой стрелки).
max
max
max
max
Как показано далее, в одном описываемом в качестве примера исполнении настоящего изобретения с использованием многоцветных пакетов светодиодов максимальный желаемый диапазон поворота R составляет 360°; пакеты этого приспособления освещения установленные независимо общим количеством М поворачиваются на углы с равными или почти равными приращениями, величина которых определяется значением 360/М, что перекрывает максимальный диапазон поворота в 360°. В другом примере исполнения настоящего изобретения с использованием одноцветных пакетов светодиодов максимальный желаемый диапазон поворота R составляет 90° (то есть, для перекрытия максимального диапазона поворота в 90° М пакетов поворачиваются на углы с равными или почти равными приращениями, величиной 90/М). В общем случае, максимальный желаемый диапазон поворота может быть выбран, по крайней мере, частично, на основании вращательной симметрии пакетов светодиодов в данном устройстве освещения. Например, рассмотрим многоцветный пакет светодиодов, включающий в себя четыре микросхемы разных цветов, образующие, по существу, квадратную светоизлучающую область. Вращательная симметрия такого пакета составляет 360°, то есть, если этот пакет повернуть в плоскости вращения на 360°, то он вернется в свое исходное положение (следовательно, соответствующее значение R для такого пакета составляет 360°). Еще в одном примере исполнения настоящего изобретения одноцветный пакет светодиодов может включать в себя четыре микросхемы одного и того же цвета, также образующие, по существу, квадратную светоизлучающую область; в этом примере вращательная симметрия модуля составляет 90° (то есть, если этот пакет повернуть на 90°, то он как бы вернется в свое исходное положение), и, следовательно, соответствующее значение R для составляет 90°. Уникально ориентированные пакеты светодиодов могут быть расположены на общей монтажной плате в различном порядке, лишь бы их проекции на поле (310) назначения освещения, по меньшей мере, частично, перекрывались, как показано на фиг. 3 и 4.
В показанном на фиг. 5 приспособлении (400) проекционного освещения в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения используются многоцветные пакеты светодиодов. В упрощенном варианте изобретения, иллюстрирующем вышеописанную концепцию вращения многоцветных источников света, на фиг. 5 показаны только четыре таких многоцветных источника света - (401А), (401В), (401С) и (401D). Следует заметить, что вышеописанные концепции, показанные на фиг. 5, могут быть распространены на приспособления проекционного освещения, в соответствии с настоящим изобретением, включающие в себя фактически любое количество многоцветных источников света.
Вновь обращаясь к фиг. 5, видим, что четыре многоцветных источника света (401А), (401В), (401С) и (401D) приспособления (400) освещения размещены на общей монтажной плате (402). В качестве опорной оси для платы (402) указана ось (510). В одном варианте описываемого исполнения в качестве источников света используются многоцветные пакеты светодиодов, в которых каждый светодиодный пакет может содержать светодиодную сборку типа «микросхема-на-плате», включающую в себя, по крайней мере, четыре светодиодных перехода, выполненных с возможностью создания излучения в четырех различных спектрах (то есть, RGBW). В другом варианте исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением каждый пакет светодиодов может включать в себя четыре кристалла или микросхемы, причем каждая для разных спектров, так, что светоизлучающая часть сборки светодиодов типа «микросхема-на-плате» для каждого источника света имеет квадратную форму. Как уже говорилось ранее, вследствие явления переноса изображения микросхемы или матрицы профиль распределения облученности в удаленном поле освещения, создаваемой узконаправленным лучом, проецируемым приспособлением освещения, в отсутствие соответствующего поворота одного или нескольких источников света относительно одного или нескольких других источников света этого приспособления освещения может иметь «квадратообразный» вид. Кроме того, - и в некоторых случаях это более важно, - в отсутствие какого-либо поворота источников света поле назначения освещения может характеризоваться спектральной неравномерностью, если одинаковые цвета каждого многоцветного пакета светодиодов ориентированы одинаково относительно друг друга. В частности, если все пакеты имеют, по существу, одинаковую ориентацию, то в различные спектры источников из многоцветных пакетов могут быть сконцентрированы в разных областях поля назначения освещения (а не смешиваться/перемешиваться по всему полю назначения освещения).
Вследствие наличия 360-градусной вращательной симметрии четырех многоцветных пакетов светодиодов по фиг. 5, каждый пакет расположен под углом 90° (360/4) относительно соседнего пакета. То есть, пакет светодиодов (401А) имеет опорную ось (512А), которая повернута на угол (514А) от 0 градусов относительно опорной оси (510) для общей монтажной платы (402); подобным же образом пакет (401В) имеет опорную ось (512В), которая повернута на угол (514В) от 90 градусов относительно опорной оси (510), пакет (401С) имеет опорную ось (512С), которая повернута на угол (514С) от 180 градусов относительно опорной оси (510), пакет (401D) имеет опорную ось (512D), которая повернута на угол (514D) относительно опорной оси (510). Будучи спроецированными на поле назначения освещения (410), изображения соответствующих источников (401А), (401В), (401С) и (401D) света перекрываются таким образом, что различные спектры R (красный), G (зеленый), B (синий) и W (белый) проецируются в каждый квадрант освещаемого поля и перемешиваются, создавая спектральную равномерность по всему полю (410) назначения освещения. В данном иллюстративном исполнении вследствие явления отражения изображения источника света результирующий световой луч все еще может иметь «квадратообразную» структуру, однако его спектральная равномерность значительно улучшена. При использовании большего количества источников света, с тем чтобы соответствующие повороты составляли менее 90 градусов, помимо увеличения спектральной равномерности может быть значительно снижен эффект отражения изображения источника света.
max
Описанная выше на примерах фиг. 2-5 инновационная концепция может быть полностью отнесена и к одноцветным пакетам мультисветодиодов. Так, например, на фиг 6. показано приспособление (600) проекционного освещения в соответствии с другим вариантом исполнения настоящего изобретения, использующее пакеты светодиодов одного цвета. В одном аспекте изобретения приспособление (600) включает в себя корпус (670), выполненный с возможностью принимать, по существу, круговую общую монтажную плату (602), на которой расположены многочисленные источники (601) света. В другом аспекте изобретения корпус (670) включает в себя ключ (660), а общая монтажная плата (602) включает в себя паз (650) для определения ориентации платы (602) в приспособлении и для задания опорной оси (510) для общей монтажной платы (602). Далее, в одном из исполнений изобретения каждый из источников (601) света включает в себя соответствующий коллиматор (615) и может включать в себя одноцветный пакет светодиодов, такой как пакет светодиодов Cree XLamp XR-E (поставляется компанией “Cree, Inc. Of Durham”, Сев. Каролина, США), который имеет, по существу, квадратную светоизлучающую часть пакета. Вследствие своей квадратной геометрии и одноцветности вращательная симметрия такого пакета составляет 90 градусов. Следовательно, в показанном на фиг. 6 иллюстративном варианте исполнения R может быть положен равным 90 градусов, и для используемых в приспособлении девяти источников света угол А составляет 10 градусов, при этом любые два пакета светодиодов расположены таким образом, что общий угол поворота между их соответствующими осями есть nA, где n - целая величина от 1 до 8.
Описав, таким образом, несколько иллюстративных вариантов исполнения настоящего изобретения, считаем, что специалисту в данной области техники легко придут в голову различные изменения, модификации или усовершенствования, которые могут быть в них внесены. Все такие изменения, модификации или усовершенствования, сделанные в рамках и в соответствии с объемом настоящего изобретения, также могли бы являться частью данного описания. В то время как приведенные в настоящем описании примеры предполагают совершенно определенные комбинации функций или конструктивных элементов, следует иметь в виду, что эти функции или конструктивные элементы могут быть скомбинированы между собой иным образом, в соответствии с настоящим изобретением для выполнения тех же самых или иных задач. В частности, совершенно не имеется в виду, что действия, элементы и признаки, указанные в связи с описанием какого-либо варианта исполнения, не должны присутствовать в других вариантах исполнения настоящего изобретения для выполнения ими подобных же или иных функций. Соответственно, все вышеизложенное, включая чертежи, приведено лишь с иллюстративной целью, и ни в коей мере не несет ограничительных функций.