ОСВЕТИТЕЛЬ

Полезная модель относится к осветителям и может быть использована в микроскопах при формировании подсветки исследуемых объектов световым потоком с управляемой цветовой температурой.
Известен осветитель (патент РФ №2037863, G 03 B 27/00, опубл. 19.06.1995), содержащий корпус, в котором размещены по крайней мере три оптических канала, каждый из которых содержит источник белого света и аддитивный фильтр, спектральный диапазон пропускания которого соответствует или синему, или зеленому, или красному цвету, и отражатель, причем в каждом оптическом канале перед аддитивным фильтром введена оптическая система, содержащая по крайней мере одну линзу, а отражатель выполнен по крайней мере из трех отражательных элементов, каждый из которых установлен в соответствующем оптическом канале под углом к его оптической оси, оптические оси всех оптических каналов после отражательных элементов параллельны между собой, а источники белого света оптически сопряжены с одной плоскостью.
Недостатками данного осветителя является отсутствие пространственного совмещения трех световых потоков в плоскости выходной апертуры осветителя, что обусловлено особенностью конструкции отражателя, и тем самым невозможность -его применения в точных измерительных приборах, например, в микроскопах, а также высокая стоимость устройства, определяемая
необходимостью использования трех оптических систем формирования изображения источников света в выходной плоскости осветителя, по одной в каждом из трех оптических каналов.
Известен осветитель (патент США №5014121, опубл. 07.05.1991), включающий последовательно расположенные источник белого света, фокусирующий элемент и спектральный селектор, выполненный в виде диска с размещенными на нем спектральными фильтрами, селективно пропускающими или синий, или зеленый, или красный свет, причем диск механически связан с мотором привода вращения.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности одновременного совмещения световых потоков разного цвета в плоскости выходной апертуры осветителя, что затрудняет использование осветителя в микроскопах с визуальным каналом регистрации изображения для целей формирования подсветки исследуемых объектов световым потоком с управляемой цветовой температурой. Кроме этого, наличие механического привода и мотора для управления спектральным составом выходного излучения обуславливает дискомфорт практического применения осветителя из-за вибрации и шумов работы мотора, а также дополнительное энергопотребление.
Известен осветитель (патент США №6690466, опубл. 10.02.2004), включающий несколько излучателей, испускающих свет в определенных узких диапазонах спектра, электронные схемы управления этими излучателями, обеспечивающие возможность изменения интенсивности светового потока каждого излучателя, а также оптические компоненты, обеспечивающие пространственное
сопряжение и гомогенизацию пространственных распределений световых потоков указанных излучателей.
Недостатком данного осветителя является сложность конструкции и высокая стоимость, обусловленные необходимостью использования значительного количества узкополосных излучателей, а также специальных оптических систем для совмещения и гомогенизации пространственных распределений световых потоков излучателей.
Наиболее близким к предлагаемому устройству и выбранным в качестве прототипа является осветитель (патент США №5612794, опубл. 18.034.1997), содержащий оптическую схему, включающую два излучателя, дихроичное зеркало и фокусирующий элемент, установленные таким образом, что каждый излучатель оптически сопряжен с выходной апертурой осветителя через дихроичное зеркало и фокусирующий элемент, а также блок питания излучателей. В данном устройстве световые источники выполнены в виде светоизлучающих диодов красного, зеленого и синего свечения, причем световые потоки от всех светодиодов пространственно совмещены.
Основным недостатком прототипа является использование в нем трех светоизлучающих диодов, испускающих свет в узких диапазонах спектра, что обуславливает низкое качество цветного изображения в случае применения данного устройства в качестве осветителя для микроскопа. Кроме того, отсутствие в формируемом прототипом световом потоке спектральных компонент лежащих вне спектров испускания светоизлучающих диодов не обеспечивает должной эффективности управления его цветовой температурой.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении качества цветного изображения в случае применения данного устройства в качестве осветителя для микроскопа.
Поставленная задача решается благодаря достижению технического результата, который заключается в повышении эффективности управления цветовой температурой светового потока, формируемого осветителем.
При реализации предлагаемой полезной модели указанный технический результат достигается тем, что в осветителе, содержащем оптическую схему, включающую два излучателя, дихроичное зеркало и фокусирующий элемент, установленные таким образом, что каждый излучатель оптически сопряжен с выходной апертурой осветителя через дихроичное зеркало и фокусирующий элемент, а также блок питания излучателей, оптическая схема осветителя дополнительно включает по крайней мере одно дополнительное дихроичное зеркало, установленное между дихроичным зеркалом и фокусирующим элементом, и по крайней мере один дополнительный излучатель, оптически сопряженный с выходной апертурой осветителя через дополнительное дихроичное зеркало и фокусирующий элемент, блок питания излучателей включает схему управления мощностью каждого излучателя, а излучатели выполнены в виде источников белого света.
Кроме того, по крайней мере один излучатель осветителя может быть выполнен в виде светодиода белого свечения.
Кроме того, по крайней мере один излучатель осветителя может быть выполнен в виде лампы накаливания.
Кроме того, блок питания излучателей может включать схему синхронного управления каждым излучателем.
Кроме того, дихроичное зеркало может обеспечивать преимущественное пропускание синего света и отражение зеленого и красного света, а по крайней мере одно дополнительное дихроичное зеркало может обеспечивать преимущественное пропускание синего и зеленого света и отражение красного света.
Кроме того, дихроичное зеркало может обеспечивать преимущественное пропускание зеленого и красного света и отражение синего света, а по крайней мере одно дополнительное дихроичное зеркало может обеспечивать преимущественное пропускание синего и зеленого света и отражение красного света.
Кроме того, дихроичное зеркало может обеспечивать преимущественное пропускание красного света и отражение синего и зеленого света, а по крайней мере одно дополнительное дихроичное зеркало может обеспечивать преимущественное пропускание зеленого и красного света и отражение синего света.
Кроме того, дихроичное зеркало может обеспечивать преимущественное пропускание синего и зеленого света и отражение красного света, а по крайней мере одно дополнительное дихроичное зеркало может обеспечивать преимущественное пропускание зеленого и красного света и отражение синего света.
Кроме того, между излучателем и дихроичным зеркалом может быть расположен спектральный селектор.
Кроме того, между дополнительным излучателем и дополнительным дихроичным зеркалом может быть расположен спектральный селектор.
Кроме того, спектральный селектор может обеспечивать преимущественное пропускание или синего или зеленого или красного света.
Кроме того, оптическая схема может содержать моноблок из трех последовательно установленных прямоугольных призм, причем два дихроичных зеркала могут быть расположены на катетных гранях средней призмы, которые обращены в сторону гипотенузных граней крайних призм моноблока.
Кроме того, оптическая схема может содержать моноблок из трех последовательно установленных прямоугольных призм, причем два дихроичных зеркала могут быть расположены на гипотенузных гранях крайних призм моноблока, которые обращены в сторону катетных граней средней призмы.
Кроме того, призмы моноблока могут быть установлены вплотную друг к другу.
Кроме того, фокусирующий элемент может быть размещен вплотную к поверхности крайней призмы моноблока, обращенной к выходной апертуре осветителя.
Кроме того, блок питания излучателей может включать индикатор цветовой температуры светового потока осветителя, электрически соединенный со схемой управления мощностью каждого излучателя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, представленными на фиг.1-6. На фиг.1 приведен спектр испускания источника белого света в виде лампы накаливания.
На фиг.2 приведен спектр испускания источника белого света в виде светодиода белого свечения.
На фиг.3 показана оптическая схема заявляемого осветителя.
На фиг.4а-г изображены возможные спектры пропускания дихроичного зеркала (кривая А) и по крайней мере одного дополнительного дихроичного зеркала (кривая Б).
На фиг.3 показан вариант исполнения призменного моноблока с дихроичным зеркалом и дополнительным дихроичным зеркалом.
На фиг.6 представлен спектр излучения заявляемого осветителя.
Качество цветного изображения, формируемого, например, в микроскопах, существенным образом зависит от качества светового потока, освещающего объект наблюдения. При этом под качеством понимают пространственную однородность и амплитуду освещенности объекта, а также цветовую температуру светового потока, определяющую визуальный комфорт наблюдателя и достоверность цветопередачи. До последнего времени самыми распространенными источниками излучения в наблюдательных приборах в целом и в микроскопах в частности были и продолжают оставаться источники белого света в виде обычных ламп накаливания. Альтернативой им выступают либо галогеновые лампы, либо появившиеся в последние годы и ставшие коммерчески доступными светодиоды белого свечения повышенной мощности. Все эти источники при их использовании
в качестве излучателей в осветителях решают одну и ту же задачу - обеспечивают испускание света, который затем формируется в световой поток с требуемыми характеристиками и направляется на освещаемый объект с помощью специальных оптических систем. Однако, имеются существенные различия в качестве световых потоков от различных типов излучателей, которые оказывают значительное влияние на перспективу их широкого практического применения. Так, известно, что наиболее комфортное для человеческого глаза освещение обеспечивает свет с цветовой температурой порядка 3000 К, который легко может быть получен от ламп накаливания. Недостатком же этих источников является их низкая световая отдача. В случае применения ламповых осветителей в микроскопах неизбежно возникает проблема недостаточного освещения объектов особенно при использовании объективов с большим увеличением. Любые попытки преодолеть эту проблему путем увеличения мощности лампового источника требуют дополнительных энергетических затрат и применения мер по защите излучателей от перегрева. Наиболее простым способом решить проблемы недостаточной освещенности и низкой эффективности излучателей является использование мощных светодиодов белого свечения, однако цветовая температура формируемого с их помощью светового потока достигает 6000 К вследствие существенной неоднородности их спектральной характеристики в видимом диапазоне. Свет, испускаемый «белым» светодиодом кажется наблюдателю неестественно белым, имеющим голубоватый оттенок. Изображения объектов при их освещении с помощью светодиодов белого свечения характеризуются низкой цветовой достоверностью, что является недопустимым обстоятельством при
проведении, например, микроскопических исследований биологических объектов. Для сравнения на фиг.1, 2 приведены относительные спектральные распределения излучения лампы накаливания и светодиода белого свечения. Исследования в области создания светодиодов белого свечения с пониженной цветовой температурой ведутся во многих лабораториях мира, однако полученные к настоящему времени результаты еще довольно далеки от желаемого.
Известно, что белый свет может быть представлен в виде суперпозиции трех цветов: синего (400-490 нм), зеленого (490-580 нм) и красного (580-700 нм), при этом соотношение их амплитуд в такой суперпозиции определяет цветовую температуру белого света. Существенно, что для адекватной цветопередачи при разложении белого цвета на указанные выше цветовые составляющие требуется обеспечить достаточно широкий (до 100 нм) спектральный диапазон для каждой из них, в противном случае не удается достичь одновременно достоверной передачи всех цветовых оттенков изображения и баланса белого цвета. Именно поэтому осветитель, выбранный в качестве прототипа, обладает рядом вышеуказанных недостатков и не может быть эффективно использован в своем качестве для решения задач корректного отображения цветов объектов при их наблюдении, например, с помощью микроскопа.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в использовании в качестве излучателей по крайней мере трех источников белого света и совокупности дихроичных зеркал, которые преобразуют спектральные характеристики излучателей таким образом, что на вход фокусирующего элемента, предназначенного для формирования пространственного распределения света в
плоскости выходной апертуры осветителя, поступает белый свет, синтезированный из по крайней мере трех широкополосных спектральных компонент синего, зеленого и красного цветов с возможностью раздельного управления их амплитудами за счет раздельного управления мощностью соответствующих излучателей.
В силу описанных выше преимуществ светодиодных источников света над ламповыми для повышения эффективности управления цветовой температурой формируемого осветителем светового потока в предлагаемом изобретении оправдан выбор излучателей в виде светодиодов белого свечения, однако, в ряде случаев в качестве по крайней мере одного излучателя несмотря на меньшую световую отдачу может быть использован и ламповый источник, в частности, галогеновый, спектр испускания которого в видимом диапазоне является более равномерным по сравнению со спектром испускания светодиода белого свечения.
Управление цветовой температурой светового потока, формируемого на выходе осветителя, желательно проводить таким образом, чтобы его интегральная мощность при этом не изменялась. Поэтому в настоящем изобретении блок питания излучателей предлагается снабдить электронной схемой синхронного управления каждым излучателем. Эта схема должна обеспечивать стабилизацию выходной мощности светового потока при изменениях амплитуд его спектральных составляющих и, как следствие этого, повышение эффективности управления цветовой температурой светового потока, формируемого осветителем.
Ввиду того, что дихроичные зеркала, выполненные, например, по технологии нанесения многослойных диэлектрических интерференционных
покрытии на прозрачные подложки, имеют конечное пропускание в диапазонах спектра, рассчитанных на минимальное пропускание, в оптическую схему осветителя целесообразно вводить дополнительно спектральные селекторы, выполненные, например, в виде поглощающих светофильтров на основе цветных стекол, например, стекла СС5 для селекции синего света, стекла ЖС16 для селекции зеленого света, стекла КС 10 для селекции красного света и устанавливать их между излучателями (дополнительными излучателями) и дихроичным зеркалом (соответствующими дополнительными дихроичными зеркалами). Эти дополнительные спектральные селекторы предназначены для улучшения качества спектральной селекции световых потоков от излучателей (дополнительных излучателей) и, как следствие этого, для повышения эффективности управления цветовой температурой светового потока, формируемого осветителем.
На фиг.3 изображена оптическая схема осветителя, включающая излучатели 1, 2 и дополнительный излучатель 3, выполненные в виде источников белого света (на чертеже эти источники изображены в виде светодиодов белого свечения), дихроичное зеркало 4 и дополнительное дихрочное зеркало 5, фокусирующий элемент 6, выполненный в виде линзы, спектральные селекторы 7, 8, 9 и выходная апертура осветителя 10.
На фиг.4 представлены возможные комбинации спектров пропускания дихроичного зеркала 4 (кривая А) и по крайней мере одного дополнительного дихроичного зеркала 5 (кривая Б), которые могут быть использованы в заявляемом изобретении в различных вариантах его исполнения.
Для компактного размещения дихроичных зеркал в оптической схеме осветителя целесообразно использовать моноблок. На фиг.5 изображен вариант исполнения моноблока по п.13 формулы полезной модели, состоящего из прямоугольных призм 11, 12 и 13. Взаимное расположение призм в моноблоке выбрано таким образом, чтобы его входная и выходная грани были параллельными. В этом моноблоке на катетные грани средней призмы 12 нанесены дихроичное зеркало 4 и дополнительное дихроичное зеркало 5. Крайние призмы 11 и 13 моноблока расположены относительно средней призмы 12 таким образом, что катетные грани призмы 12 обращены в сторону гипотенузных граней призм 11 и 13.
На фиг.6 сплошной кривой показан спектр излучения заявляемого осветителя для случая использования в нем в качестве излучателей трех одинаковых светодиодов белого свечения при соотношении амплитуд световых потоков в синем, зеленом и красном спектральных интервалах 1:4:16. Для сравнения на данной фигуре приведен также спектр излучения лампы накаливания из фиг.1 (пунктирная линия).
Заявляемый осветитель работает следующим образом:
Блок питания излучателей формирует электрические потенциалы на входах излучателей 1, 2, 3 и обеспечивает протекание через них электрического тока, величина которого может быть изменена для каждого излучателя 1, 2, 3. При этом излучатели 1, 2, 3 испускают белый свет.
Белый свет от излучателя 1 проходит через спектральный селектор 7, дихроичное зеркало 4 и дополнительное дихроичное зеркало 5, в результате чего
его спектральный состав изменяется. В зависимости от типа спектрального селектора 7 и спектров пропускания дихроичного зеркала 4 и дополнительного дихроичного зеркала 5 он приобретает или синий, или зеленый, или красный цвет. Полученный таким образом от излучателя 1 спектрально модифицированный световой поток направляется на фокусирующий элемент 6, который формирует его пространственное распределение в плоскости выходной апертуры 10 осветителя.
Белый свет от излучателя 2 проходит через спектральный селектор 8, отражается от дихроичного зеркала 4 и проходит через дополнительное дихроичное зеркало 5, в результате чего его спектральный состав изменяется. В зависимости от типа спектрального селектора 8, спектра отражения дихроичного зеркала 4 и спектра пропускания дополнительного дихроичного зеркала 5 он приобретает или зеленый, или красный, или синий цвет. Полученный таким образом от излучателя 2 спектрально модифицированный световой поток направляется на фокусирующий элемент 6, который формирует его пространственное распределение в плоскости выходной апертуры 10 осветителя.
Белый свет от дополнительного излучателя 3 проходит через спектральный селектор 9 и отражается от дополнительного дихроичного зеркала 5, в результате чего его спектральный состав изменяется. В зависимости от типа спектрального селектора 9 и спектра отражения дополнительного дихроичного зеркала 5 он приобретает или красный, или синий цвет. Полученный таким образом от дополнительного излучателя 3 спектрально модифицированный световой поток также направляется на фокусирующий элемент 6, который формирует его пространственное распределение в плоскости выходной апертуры 10 осветителя.
На выходе осветителя спектрально модифицированные световые потоки от излучателей 1, 2 и дополнительного излучателя 3 смешиваются и образуют световой поток белого цвета, цветовая температура которого зависит от соотношения амплитуд трех широкополосных спектральных компонент синего, зеленого и красного цветов. Возможность раздельного управления мощностью соответствующих излучателей определяет возможность управления цветовой температурой потока белого света на выходе осветителя.
Для удобства значение цветовой температуры светового потока отображается на встроенном в осветитель индикаторе цветовой температуры светового потока, электрически связанном в блоке питания излучателей со схемой управления мощностью каждого излучателя.
Таким образом, использование в заявляемом изобретении совокупности заявляемых признаков обеспечивает достижение указанного в заявке технического результата, а именно, повышении эффективности управления цветовой температурой формируемого осветителем светового потока.