УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЕМ ЛУЧА И СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
BEAM DIRECTION CONTROLLING DEVICE AND LIGHT-EMITTING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству управления направлением луча и к светоизлучающему устройству, содержащему такое устройство управления направлением луча.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Архитекторами и дизайнерами интерьера, и просто обычными пользователями для создания нужного стиля интерьера широко используются светильники направленного вниз освещения, а также светильники местного освещения (точечные светильники).
Светильники направленного вниз освещения, как правило, используются в целях общего освещения и обычно дают относительно широкий световой пучок, в то время как точечные светильники наклоном и разворотом светового пятна направлены на определенную "цель".
Наблюдающийся в последние годы прогресс в световой технике, особенно в области светоизлучающих диодов (светодиодов) и особенно в светильниках на основе светодиодов позволил создать плоские и компактные светоизлучающие устройства, такие как светильники, которые легче устанавливаются, являются более компактными и менее мешающими, чем обычные осветительные системы.
Для светильников направленного вниз освещения использование таких плоских светильников нового типа является относительно "прямолинейным". Но для "местных" или точечных светильников преимущества пока еще не столь очевидны, поскольку механические устройства, необходимые для управления направлением света, сами по себе являются относительно громоздкими и потому в значительной степени сводят на нет фактор небольших форм, достигаемый использованием плоского светильника.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Имея в виду вышеуказанные и иные недостатки устройств существующего уровня техники, основной задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного устройства управления направлением луча и, в частности, компактного устройства управления направлением луча, позволяющего выполнять простое и надежное управление направлением проходящего светового луча.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается устройство управления направлением луча для управления направлением светового луча, испущенного источником света и проходящего через устройство управления направлением луча, содержащее первый оптический элемент, имеющий первую и вторую противолежащие поверхности и сконфигурированный для изменения направления множества параллельных световых лучей, падающих на устройство управления направлением луча, из направления падения на первую поверхность первого оптического элемента на первичное направление, отличное от направления падения, на второй поверхности первого оптического элемента; и второй оптический элемент, имеющий первую и вторую противолежащие поверхности, причем второй оптический элемент расположен первой поверхностью второго оптического элемента, обращенной ко второй поверхности первого оптического элемента, второй оптический элемент сконфигурирован для изменения направления множества световых лучей с первичного направления на первой поверхности этого второго оптического элемента на вторичное направление на второй поверхности этого второго оптического элемента, зависящее от точек падения световых лучей на первую поверхность второго оптического элемента, в котором устройство управления направлением луча сконфигурировано с возможностью обеспечения относительного перемещения между собой упомянутых первого и второго оптических элементов для управления точками падения световых лучей на первой поверхности второго оптического элемента, тем самым делая возможным управление направлением упомянутого светового луча.
Устройство управления направлением луча предпочтительно может содержать средство перемещения для обеспечения вышеупомянутого относительного перемещения между собой первого и второго оптических элементов.
Термин "средство перемещения" в том виде, как он используется здесь, следует понимать как любое средство, способное обеспечить требуемое относительное перемещение между первым и вторым оптическими элементами. Такое средство перемещения может включать в себя средство, управляемое вручную, которое может быть выполнено в форме одного или нескольких рычагов, ручек и т.д. Это средство перемещения дополнительно может включать в себя приводные исполнительные устройства, такие как электродвигатели, пневматические или гидравлические исполнительные устройства и т.д.
Первый и второй оптические элементы могут быть любыми оптическими элементами, имеющими заявленные свойства. Предпочтительно каждый из первого и второго оптических элементов может быть выполнен в виде оптически прозрачного плоского элемента, такого как пластина или лист, который может быть структурирован соответствующим образом для достижения необходимых свойств по изменению направления светового луча.
Настоящее изобретение основано на понимании того, что последовательной установкой двух оптических элементов, где первый оптический элемент отклоняет световые лучи таким образом, чтобы он падал на второй оптический элемент в заданном направлении в заданный набор точек падения, а второй оптический элемент сконфигурирован для различного отклонения этих световых лучей в зависимости от точек падения, может быть построено очень компактное устройство для управления направлением светового луча.
Далее, авторы настоящего изобретения поняли, что такое устройство может быть использовано для практически непрерывного управления направлением светового луча внутри заданного диапазона перемещением второго оптического элемента относительно первого оптического элемента с получением нового набора точек падения и/или перемещением первого и второго оптических элементов с неизменным взаимным соотношением положения между этими оптическими элементами для изменения направления световых лучей, падающих на второй оптический элемент при сохранении неизменными точек падения.
Соответственно необходимо только такое перемещение в направлении, перпендикулярном оптической оси устройства управления направлением светового луча, которое дает возможность сформировать очень компактное устройство управления направлением светового луча, пригодное, в частности, для использования в комбинации с плоским и компактным полупроводником - источником света на основании таких светоизлучающих устройств, как плоские направленные вниз источники света на основе светодиодов (CИД). Комбинированием такого плоского направленного вниз источника света с устройством управления направлением светового луча в соответствии с настоящим изобретением направленный вниз источник света может быть преобразован в управляемый прожектор, при этом почти не жертвуя ни компактностью, ни незаметностью направленного вниз источника света.
Первый и второй оптические элементы предпочтительно могут быть установлены по существу параллельно друг другу, что в зависимости от конкретного варианта исполнения может улучшить характеристики и/или способствовать изготовлению и компоновке устройства управления направлением светового луча. По меньшей мере для некоторых вариантов исполнения устройства управления направлением светового луча в соответствии с настоящим изобретением ожидается, что наилучшие характеристики будут достигаться, когда первый и второй оптические элементы установлены в диапазоне около ±10° от установки в параллельных плоскостях.
Для ограничения нежелательного расширения или сужения светового луча, испущенного светоизлучающим устройством, содержащим источник света и устройство управления направлением светового луча в соответствии с вариантами исполнения настоящего изобретения, средство перемещения предпочтительно может быть сконфигурировано с возможностью относительного перемещения между первым и вторым оптическими элементами при сохранении постоянным расстояния между первым и вторым оптическими элементами.
Дополнительно, каждый из первого и второго оптических элементов может содержать множество структур изменения направления лучей, посредством которых относительное перемещение, необходимое для достижения определенного изменения направления пучка лучей, может сохраняться небольшим, что обусловливает создание очень компактного устройства управления направлением светового луча и соответственно компактного и незаметного управляемого светового прожектора.
Вообще говоря, оптические элементы, входящие в устройство управления направлением светового луча в соответствии с настоящим изобретением, могут использовать любой механизм для достижения желательного изменения направления световых лучей. Такой механизм, например, включает в себя отражение, электрически или магнитоуправляемое преломление, направление света посредством полного внутреннего отражения или любую комбинацию этих и других механизмов. Однако обеспечением изменения направления световых лучей, посредством группы преломляющих структур, изготовление устройства управления направлением луча может быть облегчено, и при этом могут использоваться существующие относительно недорогие оптические элементы.
В одном варианте исполнения каждый из первого и второго оптических элементов может содержать призматическую пластину, а устройство управления направлением луча сконфигурировано с возможностью обеспечения относительного поворота между собой первого и второго оптических элементов вокруг оптической оси устройства управления направлением луча.
В этом варианте исполнения каждая из первой и второй призматических пластин, входящих соответственно в первый и второй оптические элементы, может отклонять падающие параллельные световые лучи на фиксированный полярный угол отклонения, то есть на фиксированный заданный угол относительно оптической оси устройства управления направлением луча. Однако результирующее направление отклоненных световых лучей зависит также и от азимутального угла отклоненных световых лучей, который, в свою очередь, зависит от разворота соответствующих призматических пластин вокруг оптической оси.
Следовательно, направление светового луча, выходящего из устройства управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением, то есть полярный угол, а также азимутальный угол светового луча может управляться управлением вращения первого и второго оптических элементов.
Для удобства пользователя устройство управления направлением луча может быть построено со средством перемещения, содержащим первый управляемый пользователем привод для предоставления пользователю возможности управления относительного поворота между собой первой и второй призматических пластин (относительный азимутальный угол), и второй управляемый пользователем привод для предоставления пользователю возможности управления совместным вращением первой и второй призматических пластин при сохранении постоянным относительного азимутального угла.
Более того, первая поверхность каждого из первого и второго оптических элементов может быть по существу плоской, а вторая поверхность каждого из первого и второго оптических элементов может иметь сформированную на ней призматическую структуру.
Установкой оптических элементов таким образом, что падающие световые лучи сначала попадают на их плоские поверхности, вследствие полного внутреннего отражения в оптических элементах/призмах может быть значительно уменьшено образование побочных лучей в ином направлении, чем заданное.
Следует заметить, что нет необходимости, чтобы эти две призматические пластины или листы были одинаковыми. Например, для уменьшения дефектов отклонения в призматической пластине/листе, входящей во второй оптический элемент, могло бы быть выгодным использовать несколько меньший угол призмы.
Кроме того, обусловленные отражением Френеля прямые лучи можно подавлять нанесением на первый и второй оптические элементы антиотражающего покрытия. Альтернативно, или в комбинации с этим, с той же целью между двумя призменными пластинами/листами может быть помещена пленка типа "louvre foil". Для получения положительного эффекта "пропускающая" ориентация пленки типа "louvre foil" может совпадать с направлением отклоненного луча между призматической пластиной/листами, то есть пленка типа "louvre foil" для получения положительного эффекта может быть прикреплена к первому оптическому элементу.
В соответствии с другим вариантом исполнения первый оптический элемент может содержать первую линзообразную матрицу, содержащую множество фокусирующих линзообразных элементов, второй оптический элемент может содержать вторую линзообразную матрицу, а устройство управления направлением луча может быть сконфигурировано с возможностью обеспечения относительного бокового смещения между собой первого и второго оптических элементов в плоскости, перпендикулярной оптической оси устройства управления направлением луча.
В этом варианте исполнения световой луч фокусируется каждым линзообразным элементом первой линзообразной матрицы таким образом, что образуется множество параллельных световых лучей, идущих в основном (главном) направлении, причем каждый из них связан с соответствующим линзообразным элементом первой линзообразной матрицы. Эти световые лучи затем отклоняются линзообразными элементами второй линзообразной матрицы в направлении, которое зависит от места, в котором эти световые лучи падают на соответствующий линзообразный элемент второй линзообразной матрицы.
Использованием второй линзообразной матрицы, имеющей по существу такой же самый шаг (расстояние между соседними линзообразными элементами), что и шаг первой линзообразной матрицы, может быть обеспечено устройство управления направлением луча, которое позволяет осуществлять управление направлением луча посредством бокового смещения второго оптического элемента относительно первого оптического элемента на максимальное расстояние, соответствующее шагу.
Следовательно, для обеспечения плавного непрерывного управления направлением светового луча средство перемещения предпочтительно может быть сконфигурировано с возможностью обеспечения максимального относительного бокового смещения, меньшего или равного шагу первой и второй линзообразных матриц.
Дополнительно, для поддержания механического перемещения, необходимого для того, чтобы максимальное отклонение светового луча было небольшим, каждая из линзообразных матриц может предпочтительно иметь шаг в 20 мм или меньше.
Средство перемещения дополнительно может быть сконфигурировано с возможностью изменения расстояния между первым и вторым оптическими элементами, чем может управляться расходимость светового луча.
Требуемое управление направлением светового луча может быть достигнуто с использованием различных конфигураций второй линзообразной матрицы.
В соответствии с одним примером вторая линзообразная матрица может, как и первая линзообразная матрица, содержать множество фокусирующих линзообразных элементов. Линзообразные элементы во второй линзообразной матрице дополнительно могут быть более фокусирующими (более сильными), чем линзообразные элементы в первой линзообразной матрице.
В устройствах управления направлением луча в соответствии с настоящим примером моделирования эксперименты показали, что фокусное расстояние фокусирующих линзообразных элементов в первой линзообразной матрице может быть предпочтительно в диапазоне от 2 до 10 крат равным шагу первой линзообразной матрицы. Тогда фокусное расстояние линзообразных элементов во второй линзообразной матрице может преимущественно находиться в диапазоне от 0,5- до 1,5-кратного шага первой (и второй) линзообразной матрицы. Тем самым могут быть достигнуты относительно большие угловые смещения светового луча посредством относительно небольшого бокового смещения второго оптического элемента относительно первого оптического элемента.
В соответствии с другим примером каждая из линзообразных матриц во втором оптическом элементе может содержать первый участок, сконфигурированный для обеспечения полного внутреннего отражения световых лучей, падающих на второй оптический элемент в основном направлении, и второй участок, сконфигурированный для преломления световых лучей.
Таким образом, линзообразные элементы второй линзообразной матрицы могут быть выполнены очень сильными, чем могут быть достигнуты бóльшие углы отклонения.
В соответствии с еще одним примером вторая линзообразная матрица может содержать множество рассеивающих или отрицательных линзообразных элементов, которыми может быть достигнут такой же эффект изменения направления, что и с собирающими линзообразными элементами.
Далее, устройство управления направлением луча может дополнительно содержать еще один оптический элемент, расположенный между упомянутыми первым и вторым оптическими элементами, при этом еще один оптический элемент имеет показатель преломления, отличный от среднего показателя преломления первого и второго оптического элемента менее чем на 0,3.
Тем самым могут быть достигнуты еще более короткие фокусные расстояния, позволяющие получить еще более компактное устройство управления направлением луча. Дополнительно, может быть повышено оптическое качество линзообразных элементов.
Вводом такого еще одного оптического элемента достигается дополнительный эффект, заключающийся в том, что могут быть уменьшены ложные Френелевские отражения.
Поскольку показатель преломления первого и второго оптических элементов обычно бывает около 1,5, показатель преломления еще одного оптического элемента в большинстве случаев может быть между 1,2 и 1,8.
Для упрощения изготовления и обслуживания еще один оптический элемент предпочтительно может быть в виде жидкости или геля.
Для вариантов исполнения настоящего изобретения, в которых каждый их первого и второго оптических элементов содержит линзообразные матрицы, между первой и второй линзообразными матрицами может быть преимущественно помещен еще один, третий оптический элемент, содержащий линзообразную матрицу.
Должным выбором свойств характеристик линзообразных элементов в третьей линзообразной матрице могут быть достигнуты улучшенные характеристики управления луча устройства управления направлением луча. В частности, может быть достигнут больший максимальный угол отклонения луча.
Фокусное расстояние линзообразных элементов третьей линзообразной матрицы может быть предпочтительно выбрано таким, чтобы третья линзообразная матрица формировала изображения первой линзообразной матрицы на вторую линзообразную матрицу.
Более того, третья линзообразная матрица для достижения положительного эффекта может быть помещена в фокальной плоскости первой линзообразной матрицы, которая совпадает с фокальной плоскостью второй линзообразной матрицы.
В различных вариантах исполнения средство перемещения дополнительно может быть сконфигурировано для перемещения третьего оптического элемента относительно первого оптического элемента, чем может быть достигнут еще больший угол отклонения луча.
Для достижения еще больших углов отклонения луча могут быть - один за другим - установлены еще несколько оптических элементов, каждый содержащий линзообразную матрицу. Например, одна дополнительная линзообразная матрица может быть установлена в фокальной плоскости первой линзообразной матрицы, а другая дополнительная линзообразная матрица может быть установлена в фокальной плоскости второй линзообразной матрицы. Оптические характеристики "стэка" из нескольких линзообразных матриц для достижения положительного эффекта могут быть такими, что первая линзообразная матрица отображается на второй линзообразной матрице. Кроме того, средство перемещения может быть сконфигурировано таким образом, чтобы боковые положения одной из нескольких линзообразных матриц могли бы настраиваться относительно бокового положения первой линзообразной матрицы.
Далее, устройство управления направлением луча по настоящему изобретению предпочтительно может быть включено в светоизлучающее устройство, дополнительно содержащее источник света, предназначенный для испускания света, проходящего через устройство управления направлением луча.
Как упомянуто ранее, такое светоизлучающее устройство предпочтительно может быть управляемым прожектором.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Эти и другие аспекты настоящего изобретения далее будут описаны более подробно со ссылками на приложенные иллюстрации, показывающие в данный момент предпочтительные варианты исполнения настоящего изобретения, в которых
Фиг.1a, 1b показывают варианты светильников существующего уровня техники.
Фиг.2 схематично показывает светоизлучающее устройство, содержащее устройство управления направлением луча в соответствии с одним вариантом исполнения настоящего изобретения.
Фиг.3а-3с схематично показывают устройство управления направлением луча в соответствии с вариантами исполнения настоящего изобретения при различных состояниях управления направлением луча.
Фиг.4a, 4b схематично показывают первый вариант исполнения устройства управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением при различных состояниях управления направлением луча.
Фиг.5a-5d схематично показывают иллюстративные состояния управления направлением луча, полученные при использовании устройства управления направлением луча по фиг.4a, 4b.
Фиг.6a, 6b схематично показывают второй вариант исполнения устройства управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением при различных состояниях управления направлением луча.
Фиг.7a-7с представляют собой поперечные сечения участков устройства управления направлением луча по фиг.6a-6с, схематично показывающие рабочий механизм устройства управления направлением луча.
Фиг.8 схематично показывает соотношения между различными параметрами устройства управления направлением луча по фиг.7a-7b.
Фиг.9a-9с представляют собой поперечные сечения, схематично показывающие использование линзообразных элементов альтернативного типа во второй линзообразной матрице.
Фиг.10 представляет собой поперечное сечение, схематично показывающее следующую иллюстративную конфигурацию устройства управления направлением луча по фиг.6a-6с.
Фиг.11а-b представляют собой поперечное сечение, схематично показывающее еще одну иллюстративную конфигурацию устройства управления направлением луча по фиг.6a-6с.
Фиг.12a-12с схематично показывают различные альтернативные конфигурации линзообразных матриц, и
Фиг.13а, 13b схематично показывают третий вариант исполнения устройства управления направлением луча в соответствии настоящим изобретением при различных состояниях управления направлением луча.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ
Фиг.1а условно показывает плоский и компактный направленный вниз светильник 1, который установлен на потолке 2 и испускает свет прямо вниз. Такой направленный вниз светильник 1, например, может быть основан на полупроводниковых источниках света, таких как светодиоды (СИД), и световодных устройствах для обработки (смешения и распределения) света, испущенного источниками света.
Далее, фиг.1b условно показывает обычный "точечный" светильник 3, который установлен на потолке 2 посредством обычного механического устройства 4 управления направлением светового пучка. Ручным наклоном и вращением "точечного" светильника 3 можно по желанию управлять положением испускаемого светового пучка 5.
Если бы кто-нибудь совместил напрямую показанный на фиг.1а плоский и компактный направленный вниз светильник 1 с показанным на фиг.1b механическим устройством 4 управления направлением светового пучка, то он получил бы световой луч, подобный лучу направленного вниз светильника 1 по фиг.1а. Однако многие из особенностей направленного вниз светильника 1 по фиг.1а, которые делают его привлекательным для использования в различных световых решениях, в этом случае были бы потеряны.
Для того чтобы получить управляемый пользователем световой луч при сохранении многих из привлекательных особенностей направленного вниз светильника 1 по фиг.1а, могут быть использованы различные варианты исполнения устройства управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением, как это условно показано на фиг.2.
На фиг.2 показано светоизлучающее устройство, в форме управляемого прожектора 20, включающее в себя плоское компактное светоизлучающее устройство 21, подобное направленному вниз светильнику 1 по фиг.1а, а также устройство 22 управления направлением луча в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения, построенное таким образом, что когда прожектор 20 работает, свет, испущенный светоизлучающим устройством 21, проходит через устройство управления направлением луча.
Устройство 22 управления направлением луча на фиг.2 содержит первый 23 и второй 24 оптические элементы, каждый из которых является перемещаемым в плоскости, параллельной потолку 2 при использовании соответствующего средства перемещения в виде первого 25 и второго 26 приводных устройств, с помощью которых пользователь может перемещать первый 23 и второй 24 оптические элементы независимо друг от друга.
Посредством воздействия на приводные устройства 25, 26 можно управлять направлением светового луча 28, испущенного прожектором 20.
Теперь со ссылками на фиг.3а-с будут описаны основные принципы работы устройства управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3а устройство 30 управления направлением луча показано в первом состоянии управления направлением луча. Далее, фиг.3b и фиг.3с показывают два различных основных принципа изменения состояния устройства 30 управления направлением луча в другие состояния управления направлением луча.
Сначала обратимся к фиг.3а, - устройство 30 управления направлением луча содержит первый оптический элемент 31, имеющий первую поверхность 32 и вторую поверхность 33, и второй оптический элемент 35, имеющий первую поверхность 36 и вторую поверхность 37. Второй оптический элемент 35 установлен в плоскости, по существу параллельной с первым оптическим элементом 31, при этом первая поверхность 36 второго оптического элемента 35 обращена ко второй поверхности 33 первого оптического элемента 31.
i
р
Как условно показано на фиг.3а, первый оптический элемент 31 сконфигурирован таким образом, чтобы изменять направление множества падающих параллельных световых лучей 40 из направления падения r на первую поверхность 32 первого оптического элемента 31 на основное направление r на второй поверхности 33 первого оптического элемента 31.
р
Таким образом, световые лучи падают на первую поверхность 36 второго оптического элемента 35 под основным направлением r на соответствующее множество точек падения 41, обозначенных на фиг.3а буквой "х".
р
s1
В зависимости от точек падения 41 второй оптический элемент 35 сконфигурирован таким образом, чтобы изменять направление световых лучей, падающих на его первую поверхность 36, из основного направления r на вторичное направление r, которое в состоянии управления направлением луча, показанном на фиг.3а, параллельно оптической оси ОА устройства 30 управления направлением луча.
s2
В зависимости от конфигурации второго оптического элемента 35 желательное изменение направления множества параллельных световых лучей из основного направления в другое вторичное направление r может быть достигнуто посредством вращательного перемещения, линейного перемещения или их комбинацией второго оптического элемента 35 относительно первого оптического элемента 31.
Со ссылкой на фиг.3b будет пояснен иллюстративный вариант, в котором второй оптический элемент 35 сконфигурирован для достижения желательного изменения направления посредством вращательного перемещения второго оптического элемента 35 относительно первого оптического элемента 31.
i
р
На фиг.3b первый оптический элемент 31 остался сохраненным в том же самом положении, что и на фиг.3а. Следовательно, световые лучи 40, падающие на первую поверхность 32 первого оптического элемента 31 в направлении падения r, перенаправлены по тому же самому первичному направлению r, что и на фиг.3а.
р
Поскольку второй оптический элемент 35 на фиг.3b был развернут относительно первого оптического элемента 31, световые лучи, идущие в первичном направлении r, теперь падают на первую поверхность 36 второго оптического элемента 35 на другое множество точек падения 42, обозначенных буквой "о". На фиг.3b показаны точки падения 41 лучей до поворота второго оптического элемента 35, чтобы показать изменение по сравнению с ситуацией по фиг.3а.
s1
s2
Как схематично показано на фиг.3b, изменение точек падения приводит к изменению вторичного направления лучей с r на фиг.3а на r на фиг.3b. Соответственно устройство 30 управления направлением луча было переведено во второе состояние управления направлением луча поворотом второго оптического элемента 35 относительно первого оптического элемента 31.
Ниже со ссылками на фиг.4а-4b будет дано более подробное описание устройства управления направлением луча, сконфигурированного для управления направлением луча в ответ на поворот второго оптического элемента относительно первого оптического элемента.
р
s2
На фиг.3с показан другой случай, в котором требуемое изменение направления из основного направления r во вторичное направление r достигается боковым перемещением второго оптического элемента 35 относительно первого оптического элемента 31, как это показано на фиг.3с стрелкой.
Более подробное описание устройства управления направлением луча, сконфигурированного для управления направлением луча, в ответ на боковое перемещение второго оптического элемента относительно первого оптического элемента будет дано ниже со ссылками на фиг.6а-6b.
Фиг.4а-4b условно показывают первый вариант исполнения устройства управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением в различных состояниях управления направлением луча.
На фиг.4а-4b первый 46 и второй 47 оптические элементы, входящие в устройство 45 управления направлением луча, как схематично показано на иллюстрациях, выполнены в виде призматических пластин или призматических листов.
Такие призматические пластины или призматические листы в настоящее время используются в жидкокристаллических дисплеях и предназначены для направления даваемого ЖК-дисплеем выходного изображения в заданном фиксированном направлении в сторону ожидаемого положения наблюдателя.
При установке двух таких призматических пластин таким образом, как это указано на фиг.4а-4b, поворотом первого 46 и второго 47 оптических элементов могут быть образованы какие угодно углы светового луча - азимутальный и полярный (внутри определенного диапазона полярных углов).
i
i
р
На обеих фиг.4а и 4b первый оптический элемент 46 ориентирован таким образом, что падающие световые лучи 40 перенаправляются из своего начального направления r в основное направление, как условно показано на фиг.4а, 4b. В частности, это перенаправление из начального направления r в основное направление r достигается поворотом первого оптического элемента 46, таким, что при этом призматические структуры 48 на его второй поверхности становятся ориентированы таким образом, что преломляют падающие лучи 40 в нужном направлении.
s
i
На фиг.4а второй оптический элемент 47 установлен антипараллельно (призматические структуры 49 второго оптического элемента 47 повернуты на 180° относительно призматических структур 48 первого оптического элемента 46), так что второй оптический элемент перенаправляет падающие на него световые лучи на ту же величину, но в противоположном направлении по сравнению с первым оптическим элементом 46, как условно показано на фиг.4а, результирующее отклонение луча равно нулю, то есть вторичное направление r - такое же, что и направление r падающего луча.
s
i
Поворотом второго оптического элемента 47 относительно первого оптического элемента 46 векторная сумма отклонений первого 46 и второго 47 оптических элементов приводит к нулевому отклонению луча, то есть вторичное направление r является отличным от направления r падающего луча.
Это условно показано на фиг.4b, на котором разница между азимутальными углами в призматических структурах 48, 49 первого 46 и второго 47 оптических элементов уменьшена почти на 60° по сравнению с ситуацией, показанной на фиг.4а, то есть призматические структуры 49 второго оптического элемента 47 теперь развернуты на 120° относительно призматических структур 48 первого оптического элемента 46.
Фиг.5а-5d показывают иллюстративные состояния управления направлением луча, полученные поворотом второго оптического элемента 47 относительно первого оптического элемента 46 в устройстве 45 управления направлением луча по фиг.4а-4b.
Фиг.5а показывает световое пятно 50, полученное световым лучом, испущенным прожектором, оснащенным устройством 45 управления направлением луча по фиг.4а. В этом первом состоянии управления разница между азимутальными углами в первом 46 и втором 47 оптических элементах составляет примерно 180°, что приводит к очень маленькому отклонению светового луча, а именно: полярного угла в 3°, а азимутального углам - в 0°.
Фиг.5b показывает второе состояние управления направлением луча, в котором разница между азимутальными углами в первом 46 и втором 47 оптических элементах в 150° дает отклоненный световой луч, имеющий полярный угол в 10°, а азимутальный угол - в 61°.
Фиг.5с показывает третье состояние управления направлением луча, в котором разница между азимутальными углами в первом 46 и втором 47 оптических элементах в 120° дает отклоненный световой луч, имеющий полярный угол в 20°, а азимутальный угол - в 57°.
Наконец, фиг.5d показывает четвертое состояние управления направлением светового луча, в котором разница между азимутальными углами в первом 46 и втором 47 оптических элементах в 90° дает отклоненный световой луч, имеющий полярный угол в 31°, а азимутальный угол - в 47°.
Как ясно из вышеописанных иллюстративных состояний управления направлением светового луча, поворот второго оптического элемента 47 при неподвижном первом оптическом элементе 46 приводит к изменению и полярного угла, и азимутального угла.
Из этого следует, что в только что описанном варианте исполнения устройства управления направлением светового луча в соответствии с настоящим изобретением для обеспечения свободного управления направлением светового луча внутри конуса, заданного максимальным полярным углом, определенным конфигурацией конкретного устройства управления направлением луча, первый оптический элемент 46 также может быть поворотным.
Управление направлением светового луча посредством независимого поворота первого 46 и второго 47 оптических элементов на соответствующие углы вокруг оптической оси устройства управления направлением луча может быть "контр-интуитивным" для пользователя, поскольку вращение каждого из оптических элементов 46, 47 приводит к изменению и полярного, и азимутального угла.
Чтобы облегчить пользователю управление устройством управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением, средство перемещения (не показано) может иметь первый и второй приводы, такие как ручки или рычаги, которые могут быть сконфигурированы таким образом, что работа первого привода приводила к повороту первого 46 и второго 47 оптических элементов вокруг оптической оси ОА, который для этих первого 46 и второго 47 оптических элементов противоположен по знаку. Это ведет к значительному изменению полярного угла, а также азимутального угла. При работе второго привода первый 46 и второй 47 оптические элементы могут поворачиваться вокруг оптической оси ОА при сохранении постоянной разницы в величине азимутального угла между ними. Это ведет только к изменению азимутального угла светового луча.
Было замечено, что при использовании более узкого светового луча и/или меньших углов призм первого 46 и второго 47 оптических элементов, расщепление светового луча, а также его изменение менее заметны. Такая же улучшенная характеристика может быть получена использованием более чем двух оптических элементов, каждый из которых содержит призматическую пластину. Это может увеличить угол отклонения и/или уменьшить расщепление светового луча, а также его деформацию.
Наконец, первый 46 и второй 47 оптические элементы не обязательно должны быть одинаковыми. Например, для второго оптического элемента 47 может быть преимущественно использовать чуть меньший угол призмы, чтобы уменьшить дефекты, обусловленные отклонением луча.
Фиг.6а-6b схематично показывают второй вариант исполнения устройства управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением в различных состояниях управления направлением луча.
На фиг.6а-6b первый 61 и второй 62 оптические элементы, входящие в состав устройства 60 управления направлением луча, содержат линзообразные матрицы, как это условно показано на чертежах.
При компоновке двух линзообразных матриц (структур) таким образом, как это показано на фиг.6а-6b, должным боковым смещением второго оптического элемента 62 относительно первого оптического элемента 61 может быть определено, какие углы светового луча - азимутальный и полярный (внутри определенного диапазона полярных углов).
i
р
Поскольку каждый линзообразный элемент 63, входящий в первый оптический элемент 61 на фиг.6а, представляет собой положительную линзу, падающий свет, попадающий на линзообразный элемент 63, будет этим линзообразным элементом 63 преобразовываться. Рассматривая множество параллельных световых лучей 40, видно, что каждый из них падает на соответствующий линзообразный элемент 63 в данном положении в направлении падения r и каждый из этих световых лучей под воздействием соответствующего линзообразного элемента 63 изменит свое направление, что приведет к тому, что каждый из этих световых лучей будет перенаправлен по первичному или основному направлению r, как показано на фиг.6а, 6b.
р
р
s1
i
На фиг.6а второй оптический элемент 62 расположен таким образом, что каждый из световых лучей, идущих в первичном (основном) направлении r, попадает на соответствующий один из линзообразных элементов 64 во втором оптическом элементе 62 в положении, приводящем к перенаправлению световых лучей из первичного направления r во вторичное направление r, которое одинаково с направлением падения r.
Это имеет место тогда, когда первый 61 и второй 62 оптические элементы расположены относительно друг друга таким образом, что оптические оси линзообразных элементов 63, 64 первого 61 и второго 62 оптических элементов совпадают.
s2
При боковом смещении второго оптического элемента 62 относительно первого оптического элемента 61, как это показано на фиг.6b, световые лучи 40 перенаправляются по другому вторичному направлению r, как это схематично показано на фиг.6b.
Теперь со ссылками на фиг.7а-7с будет более подробно описана способность по управлению направлением лучей устройства 60 управления направлением луча по фиг.6а-6b.
Фиг.7а-7с представляют собой условные поперечные сечения первой иллюстративной конфигурации устройства 60 управления направлением луча по фиг.6а-6b, на которых и линзообразные элементы 63, входящие в первый оптический элемент 61, и линзообразные элементы 64, входящие во второй оптический элемент 62, являются положительными линзами, причем линзообразные элементы 64 во втором оптическом элементе 62 являются более сильными, чем линзообразные элементы 63 в первом оптическом элементе 61.
Фокусные расстояния линзообразных элементов 63, 64 отличаются друг от друга с тем, чтобы увеличить боковое расстояние, на которое второй оптический элемент 62 может быть перемещен относительно первого оптического элемента 61, чтобы при этом световые лучи не попадали на ненужные линзообразные элементы и не создавали, таким образом, мнимые изображения светового пятна.
В ситуации, показанной на фиг.7а, оптическая ось ОА1 линзообразных элементов 63 первого оптического элемента 61 совпадает с оптической осью ОА2 линзообразных элементов 64 второго оптического элемента 62. Кроме того, первый 61 и второй 62 оптические элементы разнесены друг от друга на расстояние, по существу соответствующее фокусному расстоянию линзообразных элементов 63 первого оптического элемента 61.
Как видно из фиг.7а, никакого перенаправления падающего светового луча не происходит.
На фиг.7b второй оптический элемент 62 сдвинут в боковом направлении относительно первого оптического элемента 61 (на фиг.7b - влево), что приводит к ситуации, когда оптические оси ОА1 и ОА2 линзообразных элементов 63 и 64 первого 61 и второго 62 оптических элементов больше не совпадают.
Это приводит к отклонению светового луча, как показано на фиг.7b.
Как сразу же видно из фиг.7а, 7b, направление светового луча может свободно управляться внутри конуса, заданного максимальным полярным углом при боковом смещении второго оптического элемента 62 относительно первого оптического элемента внутри половины шага р/2 в любом направлении от состояния, показанного на фиг.7а.
Помимо управления отклонением светового луча, как показано на фиг.7а, 7b, изменением расстояния между первым 61 и вторым 62 оптическими элементами можно управлять расходимостью светового луча.
В примере, показанном на фиг.7с, линзообразные элементы 64 второго оптического элемента расположены в фокальной плоскости линзообразных элементов 63 первого оптического элемента 61. Преимущество этого случая состоит в том, что хотя в этом случае расходимость светового луча становится относительно большой, отклонение луча также может быть относительно большим. Любому специалисту в данной области техники будет ясно, что для других расстояний можно получить даже еще большие углы расходимости. За вторым оптическим элементом 62 можно даже создать дополнительный фокус.
Для полноты изложения теперь со ссылками на фиг.8 будет проведен подробный расчет некоторых соотношений, которые существуют между параметрами, которые определяют геометрию устройства управления направлением луча в соответствии с различными вариантами исполнения настоящего изобретения, а также результирующее отклонение луча и его расходимость.
2
Соотношение между углом θ отклонения пучка, обусловленного смещением Δх второго оптического элемента 62 относительно первого оптического элемента 61, задается формулой
2
В этом выражении f - фокусное расстояние линзообразных элементов 64, входящих во второй оптический элемент 62.
2
1
Максимально допустимое боковое смещение Δх второго оптического элемента 62 относительно первого оптического элемента 61 получается из следующего соотношения (полагая d≥f):
В этом выражении р - шаг линзообразного элемента (считается одинаковым для обеих линзообразных структур), d - расстояние между двумя оптическими элементами 61 и 62, а Δφ - расхождение пучка коллимированного света, который падает на устройство 60 управления направлением луча.
2
В том случае, когда смещение Δх превышает эту величину, некоторые из лучей будут пересекать соседние линзообразные элементы и будут отклонены в некорректном направлении, создавая мнимые изображения светового пятна.
После этого максимально боковое смещение получается из формулы
Пусть Δθ будет расходимость пучка (см. фиг.7с). Эта расходимость пучка может быть получена из соотношения
1
Здесь f - фокусное расстояние линзообразных элементов 63 первого оптического элемента 61.
Ясно, что расходимость пучка может быть скорректирована простой настройкой расстояния между двумя оптическими элементами 61, 62.
Заметим также, что пространственные размеры с изменением шага р линейно масштабируются. Другими словами, чем меньше шаг линз, тем меньшие требуются механические смещения для достижения определенного отклонения луча или его расходимости.
1
2
max
В качестве типичного примера, даваемого лишь с целью иллюстрации, рассмотрим следующий. Пусть f=4р, f=р, а Δφ=6°. В этом случае θ=6,4°, а Δθ=15°.
2
2
max
Заметим, что когда используются иммерсионные линзы, fв принципе может быть столь малым, как f=р/n, где n - показатель преломления иммерсионного материала. Это дает возможность увеличить максимальное смещение θ.
Имея в виду вышеприведенные рассуждения применительно к фиг.8, можно прийти к выводу, что фокусное расстояние линзообразных элементов 63 первого оптического элемента 61 может быть преимущественно заключено в диапазоне от 2- до 10-кратного шага р линзообразного элемента. Кроме того, фокусное расстояние линзообразных элементов 64 второго оптического элемента 62 может преимущественно находиться в диапазоне от 0,5- до 1,5-кратного шага р линзообразного элемента. Более того, расстояние между оптическими элементами 61, 62 может предпочтительно регулироваться в диапазоне от 0 до 20-кратного шага р линзообразного элемента.
Для поддержания механических перемещений второго оптического элемента 62 относительно первого оптического элемента 61 внутри приемлемого диапазона шаг р линзообразного элемента предпочтительно может быть меньше чем 20 мм.
Хотя настоящий вариант исполнения устройства управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением до сих пор описывался со ссылками на первый 61 и второй 62 оптические элементы, каждый из которых содержит линзообразные матрицы с положительными линзообразными элементами 63, 64, следует заметить, что одинаково хорошо могут работать и другие линзообразные конфигурации.
На фиг.9а-9с показана одна из других линзообразных конфигураций, в которой линзообразные элементы 64 второго оптического элемента 62 являются отрицательными линзообразными элементами.
Как следует из иллюстраций, эта конфигурация также позволяет осуществлять нужное управление направлением пучка.
На фиг.10 показана еще одна линзообразная конфигурация, в которой линзообразные элементы 64 второго оптического элемента 62 построены на комбинации преломления для центрально расположенного участка 66 каждого линзообразного элемента 64 и полного внутреннего отражения для периферийного участка 67 каждого линзообразного элемента 64. Таким образом, могут быть созданы более «сильные» линзообразные элементы (линзообразные элементы, имеющие бóльшую числовую аппретуру NА). Тем самым могут быть получены бóльшие углы отклонения.
f
Как, кроме того, показано на фиг.10, пространство между первым 61 и вторым 62 оптическими элементами может быть заполнено еще одним оптическим элементом 69, имеющим показатель преломления n, который отличается от показателя преломления воздуха.
f
f
Предпочтительно показатель преломления n еще одного оптического элемента 69 может быть близким к показателю преломления первого 61 и второго 62 оптических элементов (на практике это может означать показатель преломления n, близкий к 1,5).
С вводом еще одного оптического элемента 69 каждый линзообразный элемент 64 второго оптического элемента 62 становится линзообразным элементом так называемого иммерсионного типа, допускающим еще более короткие фокусные расстояния. Дополнительным преимуществом при этом является возможность уменьшения ложных отражений Френеля. Предпочтительно пространство между линзами может быть жидким или гелевым.
f
f
n
n
n
n
Дополнительно, как условно показано на фиг.11а-b, во всех вышеописанных примерах устройств 60 управления направлением луча на основе линзообразных элементов линзообразные поверхности первого оптического элемента 61 могут находиться в контакте с материалом 70, имеющим показатель преломления n, который отличается от показателя преломления первого оптического элемента 61, но близок к нему. Например, пусть показатель преломления материала, из которого выполнены линзообразные элементы 63, будет =1,6. Пусть показатель преломления материала, контактирующего с линзообразными поверхностями, будет =1,4. Разница Δ=0,2. Результатом является то, что оптическое качество линзообразной матрицы повышено по сравнению со случаем, когда в качестве среды, контактирующей с линзообразными поверхностями, используется воздух (Δ=0,5).
Фиг.12а-12с условно иллюстрируют несколько альтернативных конфигураций линзообразных матриц (структур), которые можно использовать в одном или в обоих, первом 61 и во втором 62, оптических элементах, входящих в состав устройства управления направлением луча.
Фиг.12а схематично показывает линзообразную матрицу 73, содержащую множество линзообразных элементов 74, каждый из которых имеет различные размеры в горизонтальном и в вертикальном направлениях и, следовательно, различные фокусные расстояния в горизонтальном и в вертикальном направлениях.
Фиг.12b условно показывает линзообразную матрицу 75, содержащую множество шестиугольных линзообразных элементов 76.
Фиг.12с условно показывает линзообразную матрицу 77, содержащую множество удлиненных линзообразных элементов 78.
Наконец, теперь со ссылками на фиг.13а-13b будет описан третий вариант исполнения устройства 60 управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением.
Как можно видеть из фиг.13а, 13b, устройство 80 управления направлением луча в соответствии с настоящим третьим вариантом исполнения отличается от описанных ранее устройств управления направлением луча тем, что между первым 61 и вторым 62 оптическими элементами введен третий оптический элемент 81 в виде третьей линзообразной матрицы (см. также фиг.8). Фокусное расстояние линзообразных элементов 82 в третьей линзообразной матрице выбрано таким, чтобы третья линзообразная матрица 81 формировала изображение первой линзообразной матрицы 61 на второй матрице 62. Предпочтительно третья линзообразная матрица 81 устанавливается в фокальной плоскости первой линзообразной матрицы 61, которая совпадает с фокальной плоскостью второй линзообразной матрицы 62.
Как показано на фиг.13а, функция линзообразных элементов 82 третьей линзообразной матрицы 81 заключается в создании поточного изображения линзообразных элементов 63 в первой линзообразной матрице 61 на линзообразных элементах 64 во второй линзообразной матрице 62. Все световые лучи внутри определенного углового диапазона, проходящие через какую-либо точку на линзообразном элементе 63 в первой оптическом элементе 61, отображаются в одну точку на соответствующем линзообразном элементе 64 во втором оптическом элементе 62. Таким образом, "отпечаток" светового луча на втором оптическом элементе 62 остается столь малым, сколь это возможно. В результате угловое распределение пучка не уменьшает максимально допустимого смещения направления этого пучка.
3
Линзообразные элементы 82 третьего оптического элемента 81 могут с преимуществом иметь фокусное расстояние f, равное
2
Для достижения нужного отклонения светового луча второй оптический элемент 62 может быть сдвинут относительно первого оптического элемента 61, как условно показано величиной Δхна фиг.13а. В состоянии управления направлением луча, показанном на фиг.13а, третий оптический элемент 81 не смещен относительно первого оптического элемента 61.
2
Соотношение между углом θ отклонения пучка, обусловленного смещением Δх второго оптического элемента 62 относительно первого оптического элемента 61, как показано на фиг.13а, задается формулой
2
Максимально допустимое смещение Δх получается из следующего соотношения:
Заметим, что здесь член, содержащий Δφ, отсутствует.
Максимально смещение луча вновь получается из соотношения
1
2
max
В качестве типичного примера рассмотрим следующий. Пусть f=4р, f=р, а Δφ=6°. В этом случае θ=20,6°.
Таким образом, добавлением третьего оптического элемента достигается значительное увеличение угла максимального отклонения.
2
3
На фиг.13b устройство 80 управления направлением луча в соответствии с настоящим изобретением показано в другом состоянии, в котором для отклонения светового луча не только второй оптический элемент 62 смещен на величину Δх, но и третий оптический элемент 81 смещен на величину Δх (оба - относительно первого оптического элемента 61).
2
И в этом случае соотношение между углом θ отклонения пучка, обусловленного смещением Δх второго оптического элемента 62 относительно первого оптического элемента 61, задается формулой
3
Заметим, что - в некоторой степени удивительно - Δх в это уравнение не входит. Тем не менее, смещение третьего оптического элемента 81 является полезным, поскольку оно обусловливает большее смещение второго оптического элемента 62. Теперь роль третьего оптического элемента 81 одновременно состоит в формировании изображения первого оптического элемента 61 на второй оптический элемент 62 и в "предварительном" отклонении светового луча.
3
Максимально допустимое смещение Δх задается соотношением
2
3
3, max
Максимально допустимое смещение Δх (полагая Δх=Δх) дается соотношением
Максимально смещение луча вновь получается из соотношения
1
2
max
В качестве типичного примера рассмотрим следующий. Пусть f=4р, f=р, а Δφ=6°. В этом случае θ=36,4°.
Допуская смещение третьего оптического элемента 81 относительно первого оптического элемента 61, тем самым получается дополнительное значительное увеличение максимального угла отклонения.
Здесь термин "по существу", такой как в выражении "по существу параллельный", специалистам в данной области техники будет понятен. Таким же образом им будет понятен термин "около". Термины "по существу" или "около" могут также включать в себя варианты исполнения с терминами "полностью", "целиком", "все", "точно" и т.д., где они уместны. Следовательно, в вариантах исполнения наречие "по существу" также может быть опущено. Таким образом, например, выражение "около 2°" может также относиться к "2°".
Специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничено предпочтительными вариантами исполнения. Например, для достижения более значительных углов отклонения, возможно, имело бы смысл охватить область между линзообразными элементами 64 второго оптического элемента черной матрицей. Кроме того, во избежание ложных отражений Френеля от поверхностей линзообразных структур первый 61 и второй 62 оптические элементы могли бы быть покрыты антиотражающим покрытием. Далее, между первым и вторым оптическими элементами, возможно, имело бы смысл включить еще и другие оптические элементы, которые могли бы включать в себя какую-либо из вышеописанных призматических пластин и/или линзообразные структуры. Простой факт, что некоторые измерения повторяются во взаимно зависимых различных пунктах формулы изобретения, не означает, что нельзя использовать комбинацию этих измерений, дающую положительный эффект. Какие-либо ссылки в пунктах формулы изобретения не должны истолковываться как ограничивающие объем настоящего изобретения.