ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
OPTICAL SYSTEM

Заявка относится к осветительным системам, в частности, используемым для SSTV (спутниковая система телевизионного вещания), осветительных устройств для дискотек, осветительных консолей и цветомузыкальных установок.
В последние годы требуются осветительные проекторы для сценических, студийных и телевизионных (SSTV) архитектурных и развлекательных приложений, чтобы обеспечивать различные эффекты освещения. Эти эффекты освещения, например, могут обеспечивать изменение угла светового луча, изменение формы луча света, создание простых изображений, создание движущихся изображений, изменение направления света и обеспечение цветовых эффектов, а также другие дополнительные эффекты.
Осветительные проекторы, как известно в данной области техники, облегчают галогенные источники света, такие как лампы разряда высокой интенсивности (HID). Лампы HID, как используемые в современных приложениях, формируют луч света высокой интенсивности и потребляют до 1000 ватт и даже больше.
Элементы для формирования света, используемые с этими лампами HID, должны выдерживать высокие температуры. В частности, жидкокристаллические и полимерные композиционные материалы, используемые в качестве защитных затворов, являются чувствительными к температуре. Для того чтобы уменьшить поглощаемую инфракрасную составляющую излучаемого света, US 2003/0035290А1 предлагает управление температурой посредством ячейки жидкого фильтра. Кроме того, предложено зеркало, поглощающее температуру. Однако эти элементы имеют недостаток, заключающийся в увеличении сложности осветительной системы. Кроме того, чем больше компонентов являются частью системы, тем больше вероятность возникновения ошибок в системе. Ошибка при управлении температурой неизбежно приведет к разрушению затвора проецирования.
Кроме того, для того чтобы обеспечить управление цветом, предложено использование узлов различных фильтров и их перемещение. Это приводит к увеличенной механической сложности такой системы. Кроме того, US 2003/0035290А1 не предоставляет никакого решения для перемещения направления луча, что часто необходимо в проекторах GOBO.
Таким образом, согласно одному аспекту изобретения обеспечивается осветительная система с уменьшенным UV (ультрафиолетовым) и IR (инфракрасным) излучением для защиты активных оптических элементов. Дополнительным аспектом изобретения является создание цветовых эффектов на основе не механических средств. Также аспектом изобретения является обеспечение отклонения луча на основе не механических средств. Другим аспектом изобретения является обеспечение управления формированием изображения и лучом посредством механических средств небольшой сложности.
Эти и другие аспекты изобретения решают с помощью оптической системы, предназначенной для создания динамических эффектов освещения, в частности, в приложениях SSTV, содержащей источник луча света, выполненный с возможностью генерирования луча света, затвор проецирования, выполненный с возможностью управления лучом света, в которой источник луча света состоит, по меньшей мере, из одного светодиода, а затвор проецирования содержит, по меньшей мере, один жидкокристаллический (LC) оптический элемент.
Затвор проецирования содержит средство, предназначенное для формирования изображения с помощью управления светом таким образом, что проецируемое изображение имеет локальное изменение интенсивности. Кроме того, средства для формирования профиля и направления луча содержатся в затворе проецирования. Средства формирования профиля луча могут быть выполнены с возможностью управления направлением, формой и расщеплением луча света. Средства формирования изображения могут быть сформированы с возможностью управления интенсивностью и контрастностью луча света, но не направлены на формирование профиля луча. Средство формирования изображения и средства формирования профиля луча могут быть выборочно объединены в затворе проецирования. Эти средства пространственно разнесены отдельно друг от друга. Средство формирования изображения предпочтительно расположено на фокусном расстоянии проецирования, а средство формирования профиля луча предпочтительно расположено вблизи линзы (перед линзой или за линзой) оптической системы. Оба средства составлены с помощью LC элементов.
Система состоит из жидкокристаллических (LC) элементов и источника света, выполненного, по меньшей мере, из одного светодиода (LED). LED может излучать свет, такой как разрядная лампа высокой эффективности. Однако свет, излучаемый LED, имеет узкий спектр, и он не содержит никакую инфракрасную (IR) или ультрафиолетовую (UV) составляющую. Это имеет большое преимущество, так как IR и UV излучение обычно поглощается с помощью активных оптических компонентов, таких как LC элементы, которые расположены на пути луча света. Это приводит к чрезмерному нагреванию этих компонентов.
Согласно другому аспекту изобретения предусмотрен световой проектор, содержащий систему, как описано ранее.
Эти и другие аспекты заявки станут понятными из следующих фигур и будут объяснены со ссылкой на следующие фигуры. На фигурах изображено:
фиг.1 иллюстрирует систему проецирования света в соответствии с вариантами осуществления;
фиг.2А-В иллюстрируют затвор проецирования в соответствии с первым вариантом осуществления;
фиг.3А-В иллюстрируют затвор проецирования в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
фиг.4А-В иллюстрируют затвор проецирования в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
фиг.5 иллюстрирует затвор проецирования в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения;
фиг.6 иллюстрирует затвор проецирования в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения;
фиг.7А-В иллюстрируют элемент GRIN в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
фиг.8А-D иллюстрируют различные компоновки конфигураций электродов;
фиг.9А-В иллюстрируют дополнительные компоновки конфигураций электродов;
фиг.10А-В иллюстрируют вариант осуществления изобретения с устройством расщепления луча поляризации;
фиг.11А-В иллюстрируют другой вариант осуществления изобретения с устройством расщепления луча поляризации.
Фиг.1 иллюстрирует систему 2, предназначенную для обеспечения эффектов освещения в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Система 2 содержит корпус 4, некоторое число LED 6 (осветительных элементов), затвор 8 проецирования и линзу 10. Затвор 8 проецирования проиллюстрирован как комбинация средства 7 формирования изображения и средства 9 формирования профиля луча. Затвор 8 проецирования может содержать эти средства, расположенные пространственно отдельно друг от друга, а также объединенные в одной группе средств. Расположение элементов 4-10 является только примером и может изменяться в зависимости от потребностей приложения. LED 6 формируют луч 12 света, который направляют через затвор 8 проецирования и линзы 10. Как проиллюстрировано, средство 7 формирования изображения расположено перед линзой 10. Предпочтительно, средство формирования изображения расположено на фокусном расстоянии проецирования. Средство 9 формирования луча расположено за линзой 10, но также может быть расположено перед линзой 10.
Как средство 7 формирования изображения, так и средство 9 формирования профиля луча содержат LC элементы, предназначенные для обеспечения изменения луча света.
Возможно, что триплет из трех LED образует один осветительный элемент 6. В этом триплете один LED излучает зеленый свет, один LED излучает красный свет и один LED излучает синий свет. С помощью управления каждым из LED в этом триплете может быть создан любой цвет и цветовые эффекты являются возможными без использования цветных фильтров.
Электронное устройство 5 управления может быть использовано для управления осветительным элементом 6, средством 7 формирования изображения и средством 9 формирования луча. Электронное устройство 5 управления может управлять интенсивностями LED в осветительных элементах 6, чтобы создавать различные цветовые и динамические эффекты. Электронное устройство 5 управления может подавать напряжения в электроды в затворе 8 проецирования для создания динамических эффектов освещения. Оно может управлять средством 9 формирования луча для формирования конфигурации и направления луча света. Оно дополнительно может управлять устройством 7 формирования изображения для создания различных интенсивностей света, для рассеяния света и создания изображений.
Средство 7 формирования изображений и средство 9 формирования профиля луча затвора 8 проецирования могут содержать матрицу из жидкокристаллических LC элементов, причем каждый из элементов может представлять элемент из одного пикселя проецируемого изображения. LC элементы могут быть управляемыми посредством интерфейса управления. С использованием интерфейса управления возможно автоматическое управление LC элементами.
С помощью управления LC элементами, используемыми для средства 7 формирования изображения, свет может передаваться наружу корпуса 4 и отражаться обратно в корпус 4, рассеиваться и преломляться. Свет, который не собран с помощью проекционной линзы 10, не будет спроецирован. Таким образом, могут быть созданы изображения с определенной контрастностью.
Средство 9 формирования луча может быть размещено перед проекционной линзой 10 и за указанной линзой проецирования и может быть использовано для управления формой и/или направлением луча. Структура LC элементов, которые могут быть использованы для средства 7 формирования изображения и средства 9 формирования профиля луча, проиллюстрирована на следующих фигурах.
Фиг.2А и фиг.2В иллюстрируют средство 7 формирования изображения с оптическими элементами. Проиллюстрированы прозрачные пластины 14, прозрачные электроды 16 и жидкокристаллический гель 18. Прозрачные пластины могут быть изготовлены из несущей подложки, несущей электроды 16. Подложка, например, может быть стеклянной подложкой. Приложение электрического поля может влиять на ориентацию жидкокристаллических молекул в геле 18.
Например, как изображено на фиг.2А, молекулы жидкокристаллического геля 18 ориентированы перпендикулярно стеклянным пластинам вдоль направления распространения луча 12 света с использованием слоев 20 ориентации. Жидкокристаллический гель 18 может быть сформирован как прозрачный в этом состоянии. Например, жидкокристаллический гель 18 на фиг.2А может быть сформирован как ориентированный параллельно направлению распространения луча света в случае, когда напряжение между электродами 16 равно нулю. Как проиллюстрировано, входящий луч 12А света направляют через жидкий кристалл 18, и он выходит из средства 7 формирования изображения без рассеяния. Жидкокристаллический гель 18 может состоять из полимера и молекул жидкого кристалла.
Слои 20 ориентации могут содержать полимеры, молекулы поверхностно-активного вещества или напыленные окислы, которые могут индуцировать различные ориентации в жидкокристаллических молекулах, принесенных наверху слоев. Одноосную планарную ориентацию часто получают, когда такие слои буферизируют с помощью ткани, как часто используют в производстве жидкокристаллических дисплеев. В случае так называемой фотоориентации слой 20 облучают поляризованным светом, который используют для того, чтобы ориентировать поляризацию света с помощью жидкокристаллических молекул. Одним из часто используемых полимеров в качестве слоя ориентации является полимид.
В случае когда между электродами 16 приложено напряжение, жидкокристаллический гель 18 становится рассеянным и луч 12 света рассеивается, как проиллюстрировано на фиг.2В. Когда напряжение между прозрачными электродами 16, присутствующими на подложках 14, равно нулю, жидкокристаллический гель 18 является прозрачным, а когда между электродами 16 приложено достаточно высокое напряжение, входящий свет 12А становится рассеянным 12В. Элементы, проиллюстрированные на фиг.2А и фиг.2В, могут быть пикселизированными элементами, причем каждый пиксель представляет один пиксель изображения, создаваемого с помощью средства 7 формирования изображения.
Фиг.3А и фиг.3В иллюстрируют средство 7 формирования изображения, которое работает противоположно к средству 7 формирования изображения, проиллюстрированному на фиг.2А и фиг.2В. Когда сигнал напряжения в ноль вольт подают на прозрачные электроды 16, присутствующие на подложках 14, входящий свет 12А рассеивается, а когда прикладывают достаточно высокое напряжение, жидкокристаллический гель 18 становится прозрачным и луч 12В света выходит из затвора 8 проецирования.
Жидкокристаллический гель 18, изображенный на фиг.3А и фиг.3В, может быть использован для анизотропного рассеяния, при котором свет рассеивается в одном направлении. В этом случае, как проиллюстрировано на фиг.4А и фиг.4В, начальная ориентация молекул жидкокристаллического геля 18 направлена параллельно электродам 16, как индуцировано с помощью слоев 20 ориентации. В случае когда между электродами 16 не приложено напряжение, средство 7 формирования изображения является прозрачным. Приложение электрического поля между электродами 16 вносит рассеяние вследствие образования доменов в геле из-за наличия полимера.
Описанные выше LC элементы могут быть использованы в качестве вариантов осуществления средства формирования изображения, а также могут быть использованы для управления лучом в средстве 9 формирования луча. Затвор проецирования может содержать светоотражающий элемент. Светоотражающий элемент может быть холестерическим элементом, или переключаемым холестерическим элементом, или линейно поляризованным светоотражающим элементом. Средство формирования профиля луча может обеспечивать отклонение луча. Отклонение луча может быть вызвано с помощью дифракционной структуры или переключаемых элементов. Затвор проецирования также может содержать переключаемый элемент волновой пластины или переключаемый элемент GRIN.
Фиг.5 иллюстрирует вариант осуществления средства 9 формирования профиля луча. На фиг.5 средство 9 формирования профиля луча проиллюстрировано с прозрачными пластинами 14, электродами 16 и жидким кристаллом (гелем) 18. Электроды 16 покрыты слоями 20 ориентации. Дополнительно проиллюстрирована дифракционная структура 22 с зарубками, которая может быть выполнена из изотропного материала, имеющего один коэффициент преломления, или характеризоваться преломлением, которое макроскопически ориентировано с помощью анизотропного материала с более чем одним коэффициентом преломления. В зависимости от ориентации молекул свет будет преломляться в определенном направлении. Эффективный коэффициент преломления дифракционной структуры 22 может быть изменен с помощью приложения или не приложения напряжения между электродами 16. В зависимости от коэффициента преломления дифракционной структуры 22 входящий луч 12А света преломляется под некоторым углом 12В или остается тем же самым 12ВС. После приложения электрического поля между электродами 16 ориентация молекул жидкокристаллического геля 18 может быть изменена от ее начальной ориентации, как индуцировано с помощью слоев 20 ориентации.
Как в конфигурации, изображенной на фиг.5, приложение электрического поля будет влиять только на один фактический коэффициент преломления молекул. Таким образом, будет осуществлено только одно из направлений поляризации. Если необходимо осуществить оба направления поляризации, два из таких элементов необходимо использовать в конфигурации, в которой ориентации молекул жидкого кристалла в элементах являются ортогональными друг к другу. Направление ориентации молекул может сохраняться тем же самым, однако в этом случае между элементами должно быть вставлено устройство поворота плоскости поляризации, такое как полуволновая пластина.
Для того чтобы выборочно изменять направление луча света, может быть использован переключаемый отражатель. Этот отражатель, например, может содержать так называемые жидкокристаллические кристаллические структуры, как проиллюстрировано на фиг.6.
Фиг.6 иллюстрирует средство 9 формирования луча с прозрачными пластинами 14, электродами 16 и жидким кристаллом 18. Электроды 16 ламинированы слоями 20 ориентации. Слои 20 ориентации определяют ориентацию молекул жидкого кристалла 18. Хиральные молекулы жидкого кристалла имеют свойство отражать некоторый диапазон кругового поляризованного света 12В и позволяют пропускать некоторый диапазон кругового поляризованного света 12С в противоположном направлении. Позиция диапазона отражения является свойством, определяемым количеством так называемых хиральных молекул, присутствующих в хиральной смеси жидкого кристалла.
Для обеспечения выборочного направления определенного цвета между прозрачными электродами 16 прикладывают напряжение, которое удаляет зубчатую структуру жидкого кристалла и делает ячейку прозрачной. Для того чтобы отражать оба направления поляризации, может быть использована конфигурация из двух ячеек. В этой конфигурации одной из возможностей является использовать ячейки, содержащие хиральные материалы, отражающие левое и правое направления поляризации кругового поляризованного света. Другой возможностью является использовать ячейки, которые отражают одно и то же направление круговой поляризации с помощью полуволновой пластины, расположенной между ними.
Для того чтобы влиять на форму и размер луча 12 света, предложен жидкокристаллический элемент с градиентом коэффициента преломления (GRIN) или матрица, как изображено на фиг.7А и фиг.7В. Такой элемент может быть частью затвора 8 проецирования. На фиг.7А и фиг.7В проиллюстрирован элемент 24 GRIN, содержащий прозрачные пластины 14, прозрачные электроды 16 и жидкокристаллический гель 18. Макроскопическую ориентацию молекул жидкокристаллического геля 18 индуцируют с помощью слоев 20 ориентации, которые могут быть выполнены из слоев полированного полимера.
Сущность элемента GRIN заключается в структурированных электродах 16. Электроды 16 не распределены равномерно по всей поверхности, а представляют конфигурацию. В проиллюстрированном случае электроды ориентированы друг к другу и образуют параллельные стержни. Компоновка электродов 16 дает возможность расширения луча, в также его отклонение.
Как проиллюстрировано, обе поверхности прозрачных пластин 14 содержат структурированные электроды 16, причем электроды 16 ориентированы относительно друг друга таким образом, что конфигурации (шаблоны) демонстрируют почти точное совмещение.
Фиг.7А иллюстрирует линии поля электрического поля, когда к электродам 16 не приложено напряжение. В этом случае луч 12А света направлен равномерно через элемент 24 GRIN.
При приложении электрического поля между электродами 16, как проиллюстрировано на фиг.7В, потенциал является самым высоким между электродами. Линии поля проходят вне электродов 16, давая в результате неравномерность линий. В результате в области, содержащей электроды, образуется градиент коэффициента преломления жидкого кристалла 18. Если прозрачные электроды содержат линейные электроды с периодическим расстоянием, как проиллюстрировано на фиг.7А и фиг.7В, могут быть индуцированы цилиндрические линзы.
Когда приложенное напряжение между электродами равно нулю, молекулы жидкого кристалла ориентированы одноосно и не имеет место работа линзы в элементе 24 GRIN, как изображено на фиг.7А, и луч 12А проходит через ячейку без изменения. Приложение электрического поля между электродами 16, как изображено на фиг.7В, дает в результате градиент коэффициента преломления, индуцируемый в области между электродами 16, и траектория луча 12 света изменяется. Цилиндрическая линза, как проиллюстрировано на фиг.7В, может быть использована для расширения луча.
Структурированные электроды, как проиллюстрировано на фиг.7А и фиг.7В, могут иметь любую структуру, различные примеры которой изображены на фиг.8А-D. С помощью определения шаблона электродов возможно формирование луча разного профиля.
Фиг.8А иллюстрирует вид сверху конфигурации, когда электроды 16 имеют круглые отверстия. Фиг.8В иллюстрирует вид сверху конфигурации, когда электроды 16 имеют шестиугольные отверстия. Фиг.8С иллюстрирует вид сверху конфигурации, когда электроды 16 расположены согласованно по линиям, что соответствует конфигурации, проиллюстрированной на фиг.7А и фиг.7В. На фиг.8D конфигурация электродов 16 является решеткой.
Необязательно, что конфигурация электродов является равномерной по всей поверхности. Например, фиг.9А-В изображают электроды 16, в которых разные сегменты также могут иметь разные конфигурации.
Необязательно, что оба электрода 16 имеют одинаковую конфигурацию. В соответствии с вариантами осуществления изобретения элемент 24 GRIN может быть создан, когда конфигурация электрода обеспечена только на одной из поверхностей, а другая поверхность не содержит никакой конфигурации электродов. Еще в одном варианте осуществления структурированный электрод (электроды) может быть покрыт слоем, характеризуемым очень высоким поверхностным сопротивлением в диапазоне 0,1-10 МОм/квадрат.
Элемент 24 GRIN, описанный выше, проявляет зависимость от поляризации, когда изменяется только один из фактических коэффициентов преломления при приложении электрического поля. Если должны быть осуществлены оба направления поляризации, должны быть использованы два таких элемента в конфигурации, когда ориентации молекул жидкого кристалла в элементах являются ортогональными друг к другу. В обоих элементах направление ориентации молекул может быть сохранено одинаковым, однако в этом случае между элементами должна быть размещена полуволновая пластина.
Элемент 24 GRIN может быть использован для одного пикселя или множества пикселей. В такой пикселизированной ячейке могут быть созданы различные формы (профили) луча.
Описанные компоненты, в принципе, работают для неполяризованного света. Если свет из источника преобразуют в поляризованный свет с использованием способов, известных в данной области, таких как использующие устройства расщепления поляризованного луча, можно обеспечить переключаемые компоненты и эффекты, как будет проиллюстрировано на фиг.10А и фиг.10В.
Например, затвор 8 проецирования может содержать элементы с жидкими кристаллами 18, выполненными с возможностью поворота направления поляризации линейно поляризованного света на 90 градусов. Такие элементы могут быть скрученным нематиком (нематический жидкий кристалл), полуволновым сегнетоэлектриком или нематиком. Когда такой элемент объединяют с четвертьволновой пластиной, свет можно переключать между состоянием левой круговой поляризации и состоянием правой круговой поляризации. Когда его объединяют с переключаемой четвертьволновой пластиной, свет можно переключать между четырьмя состояниями (поляризованным с использованием левой круговой поляризации (LCP), поляризованным с использованием правой круговой поляризации (RCP), поляризованным с использованием горизонтальной линейной поляризации (HLP), поляризованным с использованием вертикальной линейной поляризации (VLP)).
Поляризованные оптические элементы могут быть размещены на пути луча света, чтобы создавать различные эффекты, такие как отклонение света или отражение света, в зависимости от состояния поляризации света.
Фиг.10А и фиг.10В иллюстрируют пример средства 9 формирования луча с переключаемым устройством 26 поворота плоскости поляризации, четвертьволновой пластиной 28 и холестерическим отражателем 30. В этом примере луч 12 света может быть линейно поляризованным светом.
Во время работы, как проиллюстрировано на фиг.10А, луч 12А линейно поляризованного света проходит через устройство 26 поворота плоскости поляризации, а затем через четвертьволновую пластину 28. В четвертьволновой пластине 28 луч 12А света становится лучом 12В кругового поляризованного света. Круговая поляризация луча 12В света может иметь то же направление, что и холестерический отражатель 30. Таким образом, луч 12 света становится отраженным.
В примерах, проиллюстрированных на фиг.10А и фиг.10В, использован холестерический отражатель. Также имеются отражатели, отражающие линейно поляризованный свет. В этом случае не требуется четвертьволновая пластина.
Устройство 26 поворота плоскости поляризации может быть выполнено с помощью жидких кристаллов 18, выполненных с возможностью поворота направления поляризации линейно поляризованного света на 90 градусов. Такие элементы могут быть скрученным нематическим жидким кристаллом, полуволновым сегнетоэлектриком или нематическим жидким кристаллом. Когда фильтр поляризации активизируют с помощью приложенного электрического поля, как проиллюстрировано на фиг.10В, луч 12В света принимает противоположную круговую поляризацию, и его передают через холестерический отражатель 30.
На фиг.11А и фиг.11В изображен другой пример, в котором использовано устройство расщепление луча поляризации. Такое устройство расщепления луча поляризации может быть структурой, содержащей изотропные слои и слои двойного луча преломления. Луч 12А линейно поляризованного света проходит через устройство 26 поворота плоскости поляризации и становится отраженным с помощью устройства 30 расщепления луча поляризации. Когда устройство 26 поворота плоскости поляризации активируют, направление поляризации становится повернутым на 90 градусов, и луч 12В света проходит через устройство 30 расщепления луча поляризации без отражения.
LC эффекты, описанные выше для затвора проецирования, создают с помощью приложения электрического поля. Следовательно, для приложения напряжений, предназначенных для создания динамических эффектов в желаемой последовательности, может быть использовано электронное устройство 5 управления. Кроме того, эти эффекты могут быть включены в устройство управления интенсивностью для LED таким образом, что эффекты цвета, интенсивности и формы луча могут быть созданы желаемым способом.
Несмотря на то что основные новые признаки изобретения изображены, описаны и отмечены как примененные к предпочтительному варианту его осуществления, будет понятно, что различные пропуски, и замены, и изменения по форме и в деталях описанных устройств и способов могут быть сделаны специалистами в данной области техники, не выходя за рамки сущности изобретения. Например, специально предполагается, что все комбинации этих элементов и/или этапов способа, которые выполняют, по существу, одну и ту же функцию, по существу, одним и тем же способом, чтобы достичь одних и тех же результатов, находятся в рамках объема изобретения. Кроме того, следует понимать, что структуры, и/или элементы, и/или этапы способа, изображенные и/или описанные в связи с любым раскрытым видом или вариантом осуществления изобретения, могут быть включены в любой другой раскрытый, или описанный, или предложенный вид или вариант осуществления как главный предмет выбора проектирования. Таким образом, изобретение должно быть ограничено только, как указано, с помощью рамок объема формулы изобретения, прилагаемой к настоящему описанию. Также следует понимать, что любые ссылочные позиции не должны быть истолкованы как ограничивающие рамки объема формулы изобретения.