ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
ILLUMINATION DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к осветительному устройству. В частности, настоящее изобретение относится к осветительному устройству, имеющему набор фильтров, избирательных по длине волны, выполненных в виде субколлиматоров для коллимации света от совокупности источников света.
Уровень техники
В Международной публикации WO 2006/129220 A1 раскрыто светоизлучающее устройство, содержащее средство коллимации, содержащее фильтры, отражающие свет с определенными свойствами к выходной области средства коллимации. Светоизлучающие устройства наподобие раскрытого в публикации WO 2006/129220 A1 могут создавать эффекты обесцвечивания вследствие нежелательных отражений в фильтрах. Поэтому желательно обеспечить усовершенствованное осветительное устройство.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ввиду вышеизложенного, задачей изобретения является, по меньшей мере, частичное решение рассмотренных выше проблем. В частности, задача состоит в уменьшении обесцвечивания.
Настоящее изобретение базируется на понимании того факта, что нежелательные отражения в фильтрах, избирательных по длине волны, могут происходить при плоском падении света на фильтры. Изобретение также базируется на понимании того факта, что обеспечение более симметричной структуры конфигурации фильтров в осветительном устройстве позволит сделать нежелательное рассеяние света более однородным и, таким образом, уменьшить обесцвечивание.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предусмотрено осветительное устройство, содержащее множество источников света, обеспечивающих свет на разных длинах волн, средство коллимации, имеющее приемный конец и выходной конец, в котором источники света размещены на приемном конце, и средство коллимации содержит набор фильтров, избирательных по длине волны, выполненных в виде субколлиматоров, для каждого из множества источников света, благодаря чему, для каждого источника света, субколлиматор коллимирует свет от своего источника света, и фильтр, избирательный по длине волны, каждого источника света прозрачен для света от соседних источников света разных длин волны, и второй набор фильтров, избирательных по длине волны, содержащий компенсационные фильтры, причем компенсационные фильтры установлены симметрично относительно соответствующей части фильтра, избирательного по длине волны, первого набора вокруг общего направления света соответствующего источника света, и указанные компенсационные фильтры выполнены с возможностью компенсации обесцвечивания, обусловленного асимметрией средства коллимации. Таким образом, отражения, обусловленные углами плоского падения на фильтры, избирательные по длине волны, первого набора компенсируются соответствующими компенсационными фильтрами, в результате чего отражение становится более симметричным относительно общего направления света соответствующего источника света, и, таким образом, более однородно распределенным, приводя к уменьшению обесцвечивания. Здесь, симметрию относительно общего направления света соответствующего источника света следует понимать как симметрию относительно воображаемой линии, образующей центр света, излучаемого источником света, который рассеивается в виде концентрического пучка вокруг этой линии.
По меньшей мере, один из компенсационных фильтров может иметь свойства фильтра, аналогичные свойствам соответствующей части фильтра, избирательного по длине волны, первого набора. Таким образом, достигается также симметрия в отношении свойств фильтра для обеспечения однородного распределения.
По меньшей мере, один из компенсационных фильтров может представлять собой фазовый фильтр, благодаря чему любое отражение обуславливается углом плоского падения света. Это может быть, например, стеклянная пластина. Таким образом, не требуется учитывать свойства фильтра и/или компенсационный фильтр оказывается дешевле и проще в изготовлении.
Компенсационные фильтры могут иметь свойства практически полного пропускания длин волны, связанных с субколлиматором или субколлиматорами, где они присутствуют, соответственно. Таким образом, компенсационные фильтры не создают помехи для соседней субколлимации.
Назначение свойств фильтра для компенсационных фильтров может различаться для компенсационных фильтров. Таким образом, один компенсационный фильтр может иметь свойства фильтра, аналогичные свойствам соответствующей части фильтра, избирательного по длине волны, первого набора, другой компенсационный фильтр может быть фазовым фильтром. При этом следует заметить, что в осветительном устройстве можно обеспечить один или несколько компенсационных фильтров, в зависимости от требований к компенсации.
Компенсационные фильтры могут иметь свойства практически полного пропускания длин волны, связанных с субколлиматором или субколлиматорами, где они присутствуют, соответственно.
Фильтры могут располагаться под углом к общему направлению выхода света от 3 до 30 градусов, предпочтительно, от 5 до 15 градусов, предпочтительно, от 9 до 11 градусов, предпочтительно, около 10 градусов.
Те фильтры или части фильтров, которые находятся в части, ближайшей к приемному концу, могут располагаться под углом к общему направлению выхода света от 15 до 30 градусов, предпочтительно, от 20 до 25 градусов, предпочтительно, от 21 до 22 градусов, и те фильтры или части фильтров, которые находятся в части, ближайшей к выходному концу, могут располагаться под углом к общему направлению выхода света от 3 до 15 градусов, предпочтительно, от 4 до 10 градусов, предпочтительно, от 5 до 6 градусов.
Длины волны света могут находиться, по существу, в диапазоне длин волн видимого света. Однако настоящее изобретение применимо также и другому излучению, например, инфракрасному, ультрафиолетовому или рентгеновскому излучению.
Источники света могут содержать твердотельные источники света. Твердотельные источники света могут содержать светодиоды.
Источники света могут содержать три источника света, излучающие, по существу, красный, зеленый и синий свет, соответственно.
Любой из фильтров, избирательных по длине волны, может представлять собой дихроичный фильтр.
Средство коллимации может дополнительно содержать окружающий отражатель. При этом следует заметить, что окружающий отражатель может составлять часть одного или нескольких субколлиматоров, когда этот или эти один или несколько субколлиматоров размещены на границе средства коллимации.
Осветительное устройство может дополнительно содержать рассеиватель на выходном конце. Рассеиватель может представлять собой голографический рассеиватель. Это позволяет дополнительно минимизировать интенсивность и/или цветовые неоднородности.
Фильтры, избирательные по длине волны, могут представлять собой фильтры пропускания высоких или низких частот. Преимущество использования фильтров пропускания высоких или низких частот вместо полосовых пропускающих или режекторных фильтров состоит в том, что с помощью фильтров пропускания высоких и низких частот легче добиться хороших свойств фильтра, чем с помощью полосовых пропускающих и режекторных фильтров.
Фильтр, избирательный по длине волны, входящий в состав любого из субколлиматоров для источника света, соседствующего с другим источником света, имеющим более длинную длину волны, может представлять собой фильтр пропускания низких частот, и фильтр, избирательный по длине волны, входящий в состав любого из субколлиматоров для источника света, соседствующего с другим источником света, имеющим более короткую длину волны, может представлять собой фильтр пропускания высоких частот. Благодаря такой конфигурации, источники света и их субколлиматоры можно укладывать друг на друга без взаимных помех, таким образом, обеспечивая более компактное устройство и улучшенное смешение цветов.
Источники света могут размещаться в порядке длины волны. Это позволяет избежать использования полосовых пропускающих или режекторных фильтров.
В общем случае, все термины, используемые в формуле изобретения, следует интерпретировать согласно их первоначальному значению, принятому в области техники, если прямо не указано обратное. Все упоминания "элемента, устройства, компонента, средства, этапа и т.д." нужно рассматривать в расширительном смысле как относящиеся к, по меньшей мере, одному экземпляру этого элемента, устройства, компонента, средства, этапа и т.д., если прямо не указано обратное. Этапы любого раскрытого здесь способа не обязаны осуществляться в конкретном раскрытом порядке, если прямо не указано обратное.
Другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения явствуют из нижеследующего подробного описания, зависимых пунктов формулы изобретения, а также из чертежей.
Краткое описание чертежей
Вышеизложенные принципы изобретения, а также дополнительные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения, можно лучше понять из нижеследующего иллюстративного и неограничительного подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, снабженные сквозной системой обозначений, где:
фиг. 1 - схема осветительного устройства;
фиг. 2 - схема осветительного устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3 - схема осветительного устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 4 - схема осветительного устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
фиг. 5 - схема, демонстрирующая возможные отражения, обусловленные углом плоского падения на фильтры осветительного устройства.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОДЧИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг. 1 показана схема осветительного устройства 100, содержащего совокупность источников 102 света, имеющих разные диапазоны длин волны, что позволяет осветительному устройству 100 обеспечивать свет с заданными цветовыми свойствами, например, белый свет с предпочтительной цветовой температурой или окрашенный свет. Выбор источников 102 света и управление ими для достижения предпочтительной цветовой температуры известны в технике и не составляют часть настоящего изобретения. Однако, в целях лучшего понимания, следует заметить, что источники 102 света могут преимущественно содержать светодиоды (СИД), например, обеспечивающие красный, зеленый и синий свет, соответственно. Источники 102 света располагаются на приемном конце 103 средства 104 коллимации осветительного устройства 100.
2
2
5
2
2
5
Таким образом, осветительное устройство 100 содержит средство 104 коллимации, содержащее субколлиматор 106, 107, 108 для каждого из источников 102 света. Для понимания изобретения, рассмотрим субколлиматор 106. Субколлиматор 106 содержит коллимационные элементы 109, 110, которые отражают свет, испускаемый из соответствующего источника 111 света. Коллимационные элементы 109, 110 могут представлять собой фильтры, избирательные по длине волны, например, дихроичные фильтры. Таким образом, эти фильтры, т.е. коллимационные элементы 109, 110, могут быть прозрачными для других цветов света, что обеспечивает компактность конструкции, показанной на фиг. 1. Если, например источник 111 света испускает красный свет, коллимирующие элементы призваны отражать красный свет, но должны в большей или меньшей степени пропускать зеленый и синий свет. Такой фильтр можно создать из стеклянной пластины, на каждой стороне которой установлен 16-слойный фильтр из SiO и TaO. Он будет отражать свет, длина волны которого немного превышает 600 нм, т.е. красный свет, но пропускать видимый свет с более короткой длиной волны, т.е. зеленый и синий свет. Если рассмотреть два иллюстративных луча 112, 113 света, идущие от источника 111 света, левый луч 112 на фиг. 1 будет отражаться соответствующим коллимирующим элементом 109 и выходить на выходном конце 114 средства 104 коллимации, и правый луч 113 на фиг. 1 будет пропускаться через соседний коллимирующий элемент 115, отражаться соответствующим коллимирующим элементом 110, пропускаться через следующий соседний коллимирующий элемент 117, и выходить на выходном конце 114 средства 104 коллимации. Благодаря свойствам соседних коллимирующих элементов 115, 117, красный свет может проходить через них. Например, коллимирующий элемент 115 может отражать зеленый свет, но пропускать красный. Таким образом, свойства для синего света в данном случае не играют роли. Как будет объяснено ниже, коллимирующий элемент 115 может, в необязательном порядке, представлять собой полосовой режекторный фильтр и, таким образом, также пропускать синий свет, например, стеклянную пластину, на каждой стороне которой установлен 14-слойный фильтр из SiO и TaO, или, в необязательном порядке, фильтр пропускания низких частот, пропускающий красный свет, но отражающий зеленый. Он может отражать синий свет, но это не является необходимым свойством.
2
2
5
Аналогичным образом, свет от источника 119 света, например, зеленый свет, коллимируется коллимационными элементами 115 и 116, в то же время, проходя через соседние коллимационные элементы 110, 117, и свет от источника 120 света, например, синий свет, коллимируется коллимационными элементами 117 и 118, в то же время, проходя через соседние коллимационные элементы 110, 116. Здесь можно видеть, что коллимирующий элемент 116, должен отражать зеленый свет и пропускать синий свет, тогда как свойства для красного света могут быть любыми. Аналогично, можно видеть, что коллимирующий элемент 117 должен отражать синий свет, но пропускать красный и зеленый свет, и коллимирующий элемент 118 должен отражать синий свет, тогда как свойства для зеленого и красного света могут быть любыми, и, таким образом, коллимирующий элемент 118 может представлять собой широкополосный отражатель, например, выполненный из металла или снабженный металлическим покрытием. Таким образом, смешанный свет с нужными свойствами излучается на выходном конце 114 средства 104 коллимации. Коллимационные элементы могут, таким образом, отражать синий свет и пропускать красный и зеленый свет, например, могут быть выполнены в виде стеклянной пластины, на каждой стороне которой установлен 12-слойный фильтр из SiO и TaO.
Согласно предложенному выше варианту, средний субколлиматор 107 не должен содержать полосовые режекторные фильтры. Этого можно добиться с учетом того, какие длины волны присутствуют в соседних субколлиматорах, и, таким образом, должны проходить через коллимационные элементы. Таким образом, коллимационный элемент 115 может представлять собой фильтр пропускания низких частот, пропускающий только красный свет и отражающий зеленый и синий свет, и коллимационный элемент 116 может представлять собой фильтр пропускания высоких частот, пропускающий только синий свет и отражающий красный и зеленый свет. Его преимущество в том, что проще обеспечить надлежащий фильтр пропускания низких или высоких частот, чем полосовой режекторный фильтр с хорошими характеристиками полосового пропускания на любой стороне полосы режекции. Таким образом, использование только фильтров пропускания низких и высоких частот может повысить производительность осветительного устройства 100, при меньшем обесцвечивании, например, на границах картины освещения.
Независимо от свойств фильтра, при действительно плоском падении света на фильтры, отражается, по меньшей мере, заметное количество света. Этот непреднамеренно отраженный свет ухудшает обеспечиваемую картину освещения и вызывает обесцвечивание. Авторы изобретения установили, что обесцвечивание, в основном, обусловлено асимметрией коллиматора. Поэтому, согласно варианту осуществления изобретения, предусмотрены компенсационные фильтры для уменьшения этой асимметрии и, таким образом, обесцвечивания.
На фиг. 2 показана схема осветительного устройства 200 согласно варианту осуществления настоящего изобретения, имеющего такие компенсационные фильтры. В принципе, осветительное устройство 200 согласно этому варианту осуществления содержит признаки, описанные в варианте осуществления, раскрытом со ссылкой на фиг. 1, и элементы будут рассмотрены лишь в целом, по мере необходимости, для ссылки на конкретные технические признаки этого варианта осуществления. Параллельно мы будем ссылаться на фиг. 5, где представлено иллюстративное отражение лучей в осветительном устройстве наподобие показанного на фиг. 2. Заметим, что принципы, показанные на фиг. 5, в равной степени применимы к любым вариантам осуществления, имеющим компенсационные фильтры.
Рассмотрим иллюстративный свет, испускаемый из источника 211 света осветительного устройства 200, который, предположительно, пропускается через соседний коллимирующий элемент 215, но, вследствие плоского падения на этот соседний коллимирующий элемент 215, по меньшей мере, заметная часть света отражается этим соседним коллимирующим элементом 215, например, как показано на примере луча 500 на фиг. 5. Если источник 211 света обеспечивает свет с диапазоном длин волны красного света, то картина освещения, обеспеченная осветительным устройством, будет обеспечивать слишком много красного "влево", в отсутствие компенсации. Таким образом, для компенсации части соседнего коллимирующего элемента 215, ближайшей к приемному концу 203 средства 204 коллимации осветительного устройства 200, предусмотрен компенсационный фильтр 222 для обеспечения симметрии в субколлиматоре 206, связанном с источником света 211. Свойства компенсационного фильтра 222, предпочтительно, совпадают со свойствами коллимирующего элемента 215, например, благодаря идентичным свойствам фильтра. Таким образом, обеспечивается соответствующее отражение "вправо", как показано на примере луча 502 на фиг. 5. На фиг. 5 также показаны другие иллюстративные лучи, где может происходить нежелательное отражение, и соответствующая компенсация отражения в компенсационных фильтрах.
Аналогично, для компенсации отражений в следующем соседнем коллимирующем элементе 217 и, затем, отражений в части следующего соседнего коллимирующего элемента 217, ближайшей к выходному концу 214 средства 204 коллимации, совмещенному с субколлиматором 206, компенсационный фильтр 224 обеспечен симметрично этой части следующего соседнего коллимирующего элемента 217, ближайшей к выходному концу 214.
Аналогичным образом, компенсационные фильтры 226, 228 обеспечены в субколлиматоре 208, связанном с источником света 220.
В продолжение примера, где источник 211 света обеспечивает красный свет, предположим, что источник 220 света обеспечивает синий свет. Тогда мы получим более рассеянный свет в красном и синем цветах, но этот свет рассеивается неоднородно. С другой стороны, мы, вероятно, будем испытывать недостаток в цвете источника 219 света, например, зеленом, в некоторых частях картины освещения для обеспечения белого света без обесцвечивания. Для его компенсации предусмотрены компенсационные фильтры 230, 232, которые рассеивают зеленый свет таким же образом, как рассеиваются красный и синий свет. Эти фильтры 230, 232, предпочтительно, пропускают зеленый свет, поскольку они присутствуют в "зеленом" субколлиматоре 207. Свойства фильтра 230 в диапазоне синего света роли не играют. Однако компенсационный фильтр 230 также присутствует в "красном" субколлиматоре 206 и, таким образом, должен пропускать красный свет, и, в приведенном здесь примере, компенсационный фильтр 230, предпочтительно, представляет собой фильтр пропускания низких частот, пропускающий красный и зеленый свет, но отражающий синий свет. Соответствующим образом, компенсационный фильтр 232 также присутствует в "синем" субколлиматоре 208 и, таким образом, должен пропускать синий свет, и, в приведенном здесь примере, компенсационный фильтр 232, предпочтительно, представляет собой фильтр, пропускающий синий и зеленый свет, например, стеклянную пластину без покрытия, или фильтр пропускания высоких частот, пропускающий синий и зеленый, но отражающий красный свет. Таким образом, полной симметрии в субколлиматоре 207 не существует для этих компенсационных фильтров 230, 232, но, с практической точки зрения, это не составляет проблемы, поскольку отражение, в основном, зависит от плоского падения света от источника 219 света, а не от свойств фильтра. Однако компенсационный фильтр 232 должен быть прозрачным для зеленого и красного света, тогда как свойства для синего света роли не играют.
Выше приведены примеры, где источники 211, 219, 220 света испускают красный, зеленый и синий свет, соответственно, для простоты понимания принципов компенсационных фильтров. Однако возможны также другие назначения цветов, излучаемых из источников света, что очевидно специалисту в данной области техники. Аналогично, выше приведены примеры, где используются три источника света с разными цветами и связанными с ними субколлиматорами. Однако специалисту в данной области техники также очевидно, что можно использовать больше источников света с дополнительными цветами, т.е. диапазонами длин волны, с соответствующими субколлиматорами. Более, чем один источник света, например, СИД, может быть связан с каждым субколлиматором. Например, красный и янтарный источник света можно обеспечить в одном субколлиматоре. Изобретение применимо как к маломощным источникам света, так и к мощным источникам света, в зависимости от назначения освещения. Принцип использования компенсационных фильтров также применим к фильтрам, отличных от фильтров, избирательных по длине волны, например, к поляризационным фильтрам. Для обеспечения осветительного устройства, отвечающего другим требованиям, необходимы не раскрытые компенсационные фильтры. Один или несколько из раскрытых компенсационных фильтров можно добавить для получения желаемого осветительного устройства. Например, вариант состоит в том, чтобы иметь только компенсационные фильтры 222 и 226, показанные на фиг. 2, только компенсационные фильтры 224 и 228, показанные на фиг. 2, или компенсационные фильтры 222, 224, 226 и 228, показанные на фиг. 2.
На фиг. 3a показано осветительное устройство 300 в псевдоразрезе, содержащее средство коллимации и источники света согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Согласно фиг. 3a, средство коллимации имеет структуру, аналогичную показанной на фиг. 2. Однако структура наподобие показанной на фиг. 1, также возможна в качестве альтернативного варианта осуществления. Как будет рассмотрено ниже, возможны также дополнительные варианты осуществления, содержащие больше или меньше компенсационных фильтров. Осветительное устройство 300 дополнительно содержит окружающий отражатель 302, который может представлять собой металлический отражатель. Отражатель может служить для отражения любого света, который не отражается внешними коллимирующими элементами 304, 306, и/или для поддержки средства коллимации. Альтернативно, внешние коллимирующие элементы 304, 306 вообще не являются фильтрами, а отражение происходит непосредственно на окружающем отражателе 302, что более подробно показано на фиг. 4a. На фиг. 3b показано осветительное устройство 300 в разрезе по линии A-A, где отражатель 302 также служит для коллимации перпендикулярно коллимационным элементам средства коллимации. В необязательном порядке, рассеиватель 308 может быть предусмотрен на выходном конце средства коллимации. Рассеиватель 308 может представлять собой голографический рассеиватель. Голографический рассеиватель выполнен с использованием голографических методов, но без опоры на интерференцию, и, таким образом, имеет очень малые хроматические аберрации.
В вышеприведенных примерах использовались СИД, но также можно использовать другие источники света, например, лазеры, люминесцентные лампы и т.д.
На фиг. 4a показано осветительное устройство 400 в псевдоразрезе, содержащее средство коллимации и источники света согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Средство коллимации содержит коллимирующие элементы 402 и компенсационные фильтры 404, действующие аналогично тому, как было описано со ссылкой на фиг. 2 и 5. Как было рассмотрено выше, возможны также дополнительные варианты осуществления, содержащие больше или меньше компенсационных фильтров. Конкретные признаки, показанные на фиг. 4a, состоят в том, что коллимационные элементы 402 в части 406 коллимирующих элементов, ближайшей к приемному концу 407 средства коллимации осветительного устройства 400, наклонены к общему направлению выхода света под первым углом, а коллимационные элементы 402 в части 408 коллимирующих элементов, ближайшей к выходному концу 409 средства коллимации осветительного устройства 400, наклонены к общему направлению выхода света под вторым углом. Углы, предпочтительно оптимизировать с учетом угловых зависимостей фильтра. В то время как углы к общему направлению выхода света для всех коллимирующих элементов и необязательных компенсационных фильтров средства коллимации, показанные на фиг. 3a, предпочтительно составляют от 3 до 30 градусов, предпочтительно, от 5 до 15 градусов, предпочтительно, от 8 до 9 градусов, первый и второй углы средства коллимации, показанные на фиг. 4a, составляют от 15 до 30 градусов, предпочтительно, от 20 до 25 градусов, предпочтительно, от 21 до 22 градусов и от 3 до 15 градусов, предпочтительно, от 4 до 10 градусов, предпочтительно, от 5 до 6 градусов, соответственно. Соответствующие углы компенсационных фильтров, конечно, такие же, как у коллимирующих элементов, для компенсации которых они предназначены.
На фиг. 4b показано осветительное устройство 400 в разрезе по линии B-B, где окружающий отражатель 412 также служит для коллимации перпендикулярно коллимационным элементам средства коллимации.
В необязательном порядке, рассеиватель 410 может быть предусмотрен на выходном конце средства коллимации. Рассеиватель 410 может представлять собой голографический рассеиватель. Голографический рассеиватель выполнен с использованием голографических методов, но без опоры на интерференцию, и, таким образом, имеет очень малые хроматические аберрации.
Выше были приведены примеры со ссылкой на фиг. 4, где используются три источника света с разными цветами и связанными с ними субколлиматорами. Однако специалисту в данной области техники также очевидно, что можно использовать больше источников света с дополнительными цветами, т.е. диапазонами длин волны, с соответствующими субколлиматорами. Более, чем один источник света, например, СИД, может быть связан с каждым субколлиматором. Например, красный и янтарный источник света можно обеспечить в одном субколлиматоре. Изобретение применимо как к маломощным источникам света, так и к мощным источникам света, в зависимости от назначения освещения. Принцип использования компенсационных фильтров также применим к фильтрам, отличных от фильтров, избирательных по длине волны, например, к поляризационным фильтрам. Для обеспечения осветительного устройства, отвечающего другим требованиям, необходимы не раскрытые компенсационные фильтры. Один или несколько из раскрытых компенсационных фильтров можно добавить для получения желаемого осветительного устройства, аналогичного тому, которое было рассмотрено со ссылкой на фиг. 2.
Изобретение в основном было описано выше согласно нескольким вариантам осуществления. Однако специалисты в данной области техники могут предложить другие варианты осуществления, отличные от раскрытых выше, в пределах объема изобретения, заданного формулой изобретения.