Сравнительный анализ схемотехнических решений построения светодиодных осветителей для киновидеопроекционных систем

Проведенные в работе [23] патентные исследования показали, что в случае использования светоизлучающих диодов (LED) распространение света усложняется и общий выходной световой поток существенно меньше, чем от газоразрядных ламп. При этом в LED матрицах, состоящих из множества светодиодов, трудно получить хорошую равномерность освещенности, по крайней мере без дополнительных оптических элементов, что приводит к значительным световым потерям.

В качестве примеров приводится несколько схем светодиодных осветительно-проекционных систем для видеопроекторов. Например, светодиодная осветительная система (патент U.S. №6.224.216), использующая три LED матрицы основных RGB цветов (рисунок 1.30). Излучения LED матриц вводятся в матрицы оптических волокон (МОВ), при этом каждый светодиод LED матрицы соответствует своему волокну. По оптическим волокнам RGB излучения переносятся на входные торцы стержневых световых интеграторов (СИ), которые используются для усреднения излучений по интенсивности. После световых интеграторов RGB излучения попадают на модулирующие жидкокристаллические (ЖК) матрицы и смешиваются в цветосмесительной призме (ЦП). Полученное цветное изображение с помощью конденсорной линзы (КЛ) поступает в проекционный объектив (ПО) и далее на киноэкран.

Рисунок 1.30 - Схема осветительно-проекционной системы с тремя LED матрицами, сопряжёнными с оптическими волокнами и световыми интеграторами

Основными недостатками такой системы являются: сложность соединения LED матриц с волоконной оптикой, световые потери на стыках между оптическими волокнами, LED матрицами и световыми интеграторами.

Другим примером может служить светодиодная осветительная система (патент U.S. №6.220.714). В этом случае, как показано на рисунке 1.31, излучения от LED матриц RGB коллимируются линзами (КЛ1), проходят матрицы с микролинзами (ММЛ), которые обеспечивают равномерность освещенности, и далее переносятся конденсорными линзами (КЛ2) на жидкокристаллические (ЖК) матрицы. После смешения RGB изображений в цветосмесительной призме (ЦП) полноцветное изображение попадает во входной зрачок проекционного объектива (ПО).

Рисунок 1.31 - Схема осветительно-проекционной системы с тремя LED источниками света и матрицами микролинз

Основным недостатком этой системы является то, что только часть излучения LED матриц, ограниченная углом охвата коллимирующих линз может быть эффективно использована для освещения ЖК матриц. Кроме того, в рассмотренных схемах необходимо обеспечить точное совмещение RGB изображений в цветосмесительной призме.

В работе [23] авторы предлагают некоторые схемотехнические решения построения светодиодных осветительно-проекционных систем для видеопроекции по технологии DLP с одной микрозеркальной модулирующей DMD матрицей. На рисунке 1.32 показана светооптическая система DLP видеопроектора с одной DMD матрицей. Источниками светового излучения являются три LED матрицы основных RGB цветов. Излучения от этих матриц коллимируются конденсорными линзами (КЛ1), после чего попадают в цветоразделительную призму (ЦП). После призмы установлена кондерсорная линза (КЛ2), которая проецирует RGB излучения на двухпризменную систему полного внутреннего отражения (TIR). Отраженные от гипотенузной грани TIR, световые RGB излучения попадают на матрицу DMD, которая формирует изображение и направляет его в проекционный объектив (ПО) видеопроектора.

Рисунок 1.32 - Схема осветительно-проекционной системы DLP видеопроектора с тремя LED матрицами и одной матрицей DMD

Для повышения равномерности освещенности DMD матрицы предлагается установить на излучающие поверхности LED матриц оптические световоды (ОС), выходные торцы которых по форме подобны матрице микрозеркал DMD. Световоды используются для усреднения излучений LED матриц по интенсивности за счет многократного отражения излучения источника света от боковых граней. При этом зазор между LED матрицей и световодом должен быть минимальным, чтобы избежать световых потерь.

В данной схеме используются LED матрицы, размеры и соотношение сторон которых пропорциональны размерам матрицы микрозеркал DMD. Особенностью рассмотренной схемы построения осветительно-проекционной системы является то, что режим работы LED матриц синхронизирован по времени с моментом переключения (включения/выключения) микрозеркал матрицы DMD. В таком режиме матрица DMD, освещенная соответствующей матрицей LED, создает на экране последовательные во времени изображения в первичных RGB цветах, частота смены которых должна быть незаметна для глаза человека. Вследствие того, что воспринимаемая глазом цветность проецируемых изображений определяется способностью зрения усреднять мгновенные значения яркости и цветовые оттенки от всех пикселов экранного изображения, частота смены последовательных RGB изображений должна быть не менее критической частоты слияния мельканий, которая равна 48Гц. В данном случае предлагается частота смены цветных изображений 75 Гц. В этом случае не требуется цветовой диск Color Whell с вращающим его двигателем, что упрощает конструкцию осветительно-проекционной системы, уменьшает ее габариты и повышает надежность работы.

Для увеличения контраста изображения в работах [23,24] предлагается использовать полевую диафрагму (ПД), как показано на рисунке 1.33.

Рисунок 1.33 - Система осветительно-проекционной системы DLP видеопроектора с полевой диафрагмой в плоскости матрицы DMD

При ее установке в плоскости DMD матрицы виньетируется паразитное излучение вблизи краев освещенной области, что приводит к повышению контраста конечного изображения. Кроме того, в случае использования традиционных источников света, полевая диафрагма препятствует нагреву платы управления матрицей микрозеркал DMD. Это обеспечивает увеличение срока ее службы при менее жестких требованиях к системе охлаждения.

Полевая диафрагма может быть также установлена между двумя конденсорными линзами КЛ2 и КЛ3 (рисунок 1.34). Линза КЛ2 строит промежуточное изображение источника света в плоскости полевой диафрагмы (ПД). Линза КЛ3 переносит это изображение в плоскость DMD матрицы. Размеры и соотношения сторон полевой диафрагмы должны быть пропорциональны размерам DMD матрицы.

Таким образом, основными достоинствами предложенных схемотехнических решений светодиодных осветительно-проекционных систем являются:

- улучшенная цветовая гамма, так как в качестве источников света используются LED матрицы основных цветов RGB, причем число используемых цветов не ограничивается тремя основными;

- устранение вращающегося цветового диска Color Whell за счет применения электронной схемы управления поочередным режимом работы светодиодных RGB матриц;

- повышение равномерности освещенности и контраста изображения за счет использования оптических световодов и полевой диафрагмы.

Однако, кроме указанных достоинств, следует отметить и некоторые недостатки рассмотренных систем.

Во-первых, предложенные схемы построения светодиодных осветительно-проекционных систем касаются только технологии видеопроекции DLP с одной микрозеркальной DMD матрицей, работающей на отражение. Трехматричные видеопроекционные системы DLP требуют более сложного построения.

Рисунок 1.34 - Схема осветительно-проекционной системы DLP видеопроектора с полевой диафрагмой в плоскости промежуточного изображения.

Во-вторых, в оптической системе для коллимирования световых излучений после LED матриц используются одиночные линзы (к сожалению, не указан тип линз), которые позволяют собрать световой поток только в пределах их угла охвата.

Кроме того, вследствие сферической аберрации пучок световых лучей создаваемый линзой-коллиматором, даже при точечном источнике света, будет иметь угловое рассеивание, величина которого быстро возрастает с увеличением угла охвата линзы.

Например, величина сферической аберрации у плоско-выпуклой линзы становится недопустимо большой при угле охвата более 30º, при этом возрастает и вредное влияние дисперсии света [2,25].

Сферическую аберрацию можно уменьшить до необходимых пределов путем подбора комбинаций из нескольких положительных и отрицательных линз со сферическими поверхностями, так как они дают сферические аберрации разных знаков. Однако, многолинзовый коллиматор получается довольно сложным и дорогим в изготовлении, имеет сравнительно небольшой апертурный угол, большие потери светового потока и увеличенные массогабаритные параметры.

Применение линз с асферическими поверхностями позволяет при определенных условиях решить не только проблему массогабаритных параметров светооптической системы, но и свести к минимуму или полностью устранить различного рода аберрации при больших апертурных углах. В работе [5] выполнены теоретические и экспериментальные исследования использования асферических линз с целью повышения эффективности осветительных систем для проекции. В результате проведенных исследований было установлено, что асферические поверхности, в частности эллипсоидные, также не формируют параллельный световой поток для точечных источников света при больших апертурных углах. Асферическая поверхность, обеспечивающая параллельный выход световых лучей, должна иметь сложную форму, вершинная зона которой близка к гиперболоиду. Такие линзы, как указано в разделе 1.2, при больших углах охвата имеют большую толщину и значительные потери света за счет френелевского отражения от криволинейной поверхности и поглощения в самой линзе. Это приводит к уменьшению коэффициента светопропускания таких линз, а следовательно к потерям светового потока.

В работе [2] выполнен инженерный расчет плоско-гиперболической коллимирующей линзы для светооптической системы LCD видеопроектора с жидкокристаллической (ЖК) матрицей, диагональ которой составляет 1,3 дюйма (33 мм), при условии перекрытия световым пучком всей площади матрицы.

При этом указывается, что с помощью одной асферической поверхности можно выполнить исправление сферической аберрации для одного апертурного угла, если обеспечивается необходимое для этой цели расположение асферической поверхности в оптической системе. В случае исправления сферической аберрации для нескольких апертурных углов необходимы, как минимум, две асферические поверхности, разделенные толщиной или воздушным промежутком конечной величины. Для этого приводится методика расчета хода луча через две асферические поверхности.

Недостатки сферических и асферических линз могут быть в значительной степени устранены при использовании френелевских линз. Линза Френеля состоит из двух преломляющих поверхностей (рисунок 1.35). Первая преломляющая поверхность 1 называется несущей и может быть плоской или криволинейной. Вторая поверхность имеет центральную часть в виде плосковыпуклой линзы 2, фокус которой расположен в общем фокусе всей френелевской линзы. Сверху и снизу от центральной части находятся ступенчатые элементы 3. Форма каждой ступени представляет собой тороидальную поверхность, профиль которой образован дугой с определенным радиусом и центром кривизны. Последние в каждом элементе подбираются так, чтобы фокальные лучи, падающие на основание и вершину ступенчатого элемента, отклонялись параллельно оптической оси. Все другие фокальные лучи могут иметь сферическую аберрацию допустимой величины. При этом, чем меньше расстояние между соседними ступеньками, тем точнее выполняется условие уменьшения остаточных аберраций при малой толщине линзы.

Рисунок 1.35 - Френелевские линзы: а - с прямолинейным несущим слоем; б - с криволинейным несущим слоем

В зависимости от того, где находится ступенчатая поверхность френелевских линз, они делятся на линзы с внутренним и наружным несущим слоем. У первых линз ступенчатой является наружная преломляющая поверхность, у вторых – внутренняя со стороны источника света.

Основными причинами, препятствующими увеличению угла охвата френелевских линз, являются [26, 27]:

1. Рост потерь светового потока в линзе на френелевское отражение от внутренней и внешней поверхностей линзы с увеличением угла охвата. Например, при угле охвата линзы равном 90º и показателе преломления стекла n=1,53 суммарные потери на френелевское отражение составляет порядка 16%. Увеличение угла охвата до 120º приводит к возрастанию потерь до 42%.

2. Рост ширины темных колец на световом отверстии линзы по мере увеличения угла охвата. Так, при угле охвата 90º относительная ширина темного кольца на крайнем элементе составляет около 50% от всей ширины данного элемента (темные и светлые кольца элемента имеют одинаковую ширину), тогда как при угле охвата 120º ширина темного кольца на крайнем элементе увеличивается примерно до 70%.

3. Рост хроматических аберраций за счет дисперсии света. Например, при угле охвата 90º увеличение угловых размеров элементарных цветных отображений из-за дисперсии света составляет порядка 0,6%, а при угле охвата 120º, эта величина возрастает до 1,1% и более.

Применение криволинейного несущего слоя линзы вместо прямолинейного позволяет в некоторой степени увеличить угол охвата. Это объясняется тем, что преломление фокальных световых лучей в этом случае происходит на двух поверхностях вместо одной, как у линз с прямым несущим слоем на внешней стороне. Поэтому суммарные потери светового потока в линзе на френелевское отражение будут меньше. Однако, расчет таких линз значительно усложняться, так как необходимо предварительно определить радиус кривизны несущего слоя из условия получения минимальных потерь света на френелевское отражение.

В некоторых случаях с целью увеличения угла охвата оптической системы используются двойные френелевские линзы с криволинейным несущим слоем: на внешней стороне у внешней линзы и на внутренней стороне у внутренней линзы. У таких линз общее преломляющее действие обуславливается преломлением света на четырех поверхностях, вместо двух у одинарных линз. Благодаря этому, при правильном расчете линз, потери света на френелевское отражение и потери света на соединительных гранях внешней линзы получаются относительно небольшими даже при угле охвата комплекта линз равном 120º. Оптический расчет френелевских линз с криволинейным несущим слоем и выбор их параметров подробно рассмотрены в [28].

Некоторые возможные варианты построения светодиодных осветительных систем с линзами Френеля для LCD видеопроекторов приведены на рисунках 1.36 и 1.37.

Рисунок 1.36 - Схемы светодиодных линзовых осветительно-проекционных систем LCD видеопроектора с одной ЖК матрицей: а – с одной френелевской линзой; б – с тремя френелевскими линзами и полевой диафрагмой

В оптической схеме (рисунок 1.36,а) линза Френеля (ЛФ) собирает и коллимирует световое излучение от светодиодной LED матрицы. Конденсорная линза (КЛ) направляет световой поток на жидкокристаллическую матрицу (ЖК). Модулированный матрицей световой поток поступает в проекционный объектив (ПО).

Следует отметить, что схема проекции источника света (LED матрицы) в плоскость ЖК матрицы может быть использована, если яркость равномерна по всей светоизлучающей площадке LED матрицы. В случае неравномерной яркости необходимо использовать схему проекции во входной зрачок проекционного объектива.

В качестве недостатков данной оптической схемы можно отметить то, что она может эффективно работать только при точечном источнике света (например, при одиночном светодиоде малых размеров). Вместе с тем, LED матрица имеет конечные размеры, поэтому углы падения световых лучей на ЛФ от крайних точек матрицы всегда будут больше, чем из точки на оптической оси (на рисунке 1.36,а показано пунктиром). Это приводит к увеличению световых потерь за счет френелевских отражений. Кроме того, увеличиваются и хроматические аберрации.

Для устранения указанных недостатков, предложена схема, показанная на рисунке 1.36,б. В этом случае LED матрица расположена на минимальном расстоянии от френелевской линзы ЛФ1, поэтому на нее падает практически параллельный световой поток. В фокусе линзы ЛФ1 расположена полевая диафрагма (ПД), размеры которой пропорциональны размерам ЖК матрицы. Линза ЛФ2 собирает световой поток после ПД и коллимирует его на линзу ЛФ3, которая направляет световое излучение на ЖК матрицу и далее в проекционный объектив (ПО). Следует отметить, что параметры линзы ЛФ3 должны быть согласованы с параметрами ПО, в частности, с его апертурным углом.

В современных высококачественных LCD видеопроекторах используются три ЖК матрицы. Для того, чтобы разделить световое излучение от источника света на три RGB пучка, применяется сложная оптическая система, состоящая из обычных и дихроических зеркал.

Полезный световой поток таких видеопроекторов в значительной степени зависит от схемы построения цветоделительной системы и от параметров применяемых дихроических зеркал. В работе [2] выполнен расчет наиболее рациональной схемы построения цветоделительной системы, позволяющей получить наибольший коэффициент пропускания, а следовательно, и более высокий световой поток видеопроектора.

На рисунке 1.37 приведена схема светооптической системы LCD видеопроектора с тремя ЖК матрицами. Линза Френеля (ЛФ1) собирает световое излучение от LED матрицы и фокусирует его в плоскости полевой диафрагмы (ПД), размеры которой пропорциональны размерам ЖК матриц. Линза ЛФ2 собирает световой поток после ПД и коллимирует его на дихроическое зеркало (ДЗ1), которое отражает синие лучи B и пропускает красные R и зеленые G. Дихроическое зеркало ДЗ2 отражает зеленые G лучи и пропускает красные R. Зеркала З1, З2 и З3 ориентируют RB пучки в пространстве и позволяют получить более компактную схему цветоделительной системы. В каждом цветовом RGB канале установлены конденсорные линзы ЛФ3 и матрицы ЖК.

Линзы ЛФ3 переносят изображение ПД на матрицы ЖК и во входной зрачок проекционного объектива (ПО). Результирующее цветное видеоизображение получается в цветосмесительном кубе (ЦК).

Трехматричная система LCD видеопроектора имеет ряд преимуществ. В первую очередь это высокое разрешение и формирование более естественного черного цвета, который определяет степень контрастности проецируемого изображения. Однако, при одинаковых параметрах LED матриц видеопроектор с одной ЖК матрицей будет давать существенно более яркое изображение, нежели проектор 3LCD с тремя ЖК матрицами, у которого из-за сложной светооптической системы возникают большие потери светового потока. Кроме того, цветные изображения от трех ЖК матриц должны быть точно совмещены в цветосмесительном кубе.

Рисунок 1.37 - Схема светооптической линзовой системы LCD видеопроектора с тремя ЖК матрицами и одной LED матрицей

На рисунке 1.38 показана схема светооптической системы 3LCD видеопроектора, позволяющая устранить указанные недостатки и существенно увеличить цветовую гамму проецируемого изображения. В данной схеме вместо одной LED матрицы белого свечения используются три светодиодные LED матрицы основных RGB цветов, что улучшает цветопередачу и яркость экранного изображения. Как и в предыдущей схеме, применение трех ЖК матриц и ПД позволяет повысить контрастность проецируемого изображения. При этом параметры френелевских линз ЛФ должны быть согласованы с размерами ПД, LED и ЖКматриц, а также с характеристиками проекционного объектива.

Следует отметить, что особенностью проекционных объективов, используемых в трехматричных цифровых видеопроекторах, является увеличенный задний рабочий отрезок. Это объясняется тем, что для сложения цветоделеных RGB изображений используется специальная призма-куб, расположенная между модулирующими ЖК матрицами проектора и задней линзой объектива. Поэтому проекционные объективы таких видеопроекторов – это специально рассчитанные оптические системы с учетом выше изложенного [29].

Рисунок 1.38 - Схема светооптической линзовой системы LCD видеопроектора с тремя ЖК и LED матрицами

Кроме рассмотренных вариантов построения светооптических систем с плоскими LED матрицами, определенный интерес могут представлять схемотехнические решения с использованием криволинейных (например, сферических) сегментных светодиодных LED модулей.

При построении таких систем могут быть использованы сверхяркие светодиоды, работающие на небольших токах, порядка нескольких десятков миллиампер, но обладающие большой силой света, повышенной яркостью свечения и малыми углами излучения света. В отличие от мощных светодиодов, сверхяркие не требуют систем теплоотвода, так как температура их p-n перехода небольшая и выделяемое ими тепло незначительно. Поэтому такие светодиоды выпускаются в стандартных типовых корпусах, имеют небольшие размеры и могут быть легко встроены в криволинейный сегмент. Необходимый световой поток в этом случае обеспечивается требуемым количеством светодиодов. Равномерная освещенность достигается формой сегментного светодиодного модуля и ориентацией светодиодов по его радиусам кривизны, а также плотностью их расположения и величиной угла излучения света. Последний определяется также совпадением светового пятна светодиода с размером входного зрачка проекционного объектива, что требует узкого угла излучения светодиодов [30].

На рисунке 1.39 приведен наиболее простой вариант построения осветительно-проекционной системы со сферическим светодиодным LED модулем для LCD видеопроектора. Излучение каждого светодиода модуля LED направлено на ЖК матрицу, после которой получаемое изображение переносится проекционным объективом (ПО) на экран (Э).

Рисунок 1.39 - Схема осветительно-проекционной системы со сферическим светодиодным LED модулем

Вместе с тем, как видно из рисунка 1.39, количество светодиодных зон в LED модуле ограничивается величиной апертурного угла проекционного объектива. Поэтому лучи, выходящие из крайних зон светодиодного LED модуля будут виньетироваться оправой объектива (на рисунке 1.39 показано пунктирными линиями). Это приводит к снижению полезного светового потока видеопроектора.

С целью устранения указанных недостатков может быть предложен вариант построения осветительно-проекционной системы со сферическим LED модулем, показанный на рисунке 1.40.

Рисунок 1.40 - Схема светооптической проекционной системы со сферическими светодиодным LED модулем, фоконом и линзой Френеля

В этом случае, все излучение от сферического LED модуля попадает в фокусирующий конус (фокон), представляющий собой зеркальный или оптический световод [31, 32]. При этом, если световой поток падает на больший торец фокона и распространяется к меньшему торцу, то можно получить заметный выигрыш в величине освещенности на выходе фокона за счет меньшей площади выходного торца. В работе [58] показано, что выигрыш в освещенности, достигаемый при использовании фокона, пропорционален отношению площадей его входного и выходного торцов. Однако апертурный угол конуса света на узком торце всегда больше, чем на большом торце.

На выходе фокона установлена френелевская линза (ЛФ), позволяющая собрать максимальный световой поток после фокона и направить его на ЖК матрицу и в проекционный объектив (ПО).

В рассмотренной схеме можно собрать практически все световые лучи от LED модуля в фоконе, но при этом световой поток видеопроектора будет ограничен углом охвата линзы Френеля, который не превышает 90º. При этом параметры ЛФ должны быть согласованы с апертурным углом проекционного объектива.

Таким образом, основным недостатком предложенных линзовых светооптических систем является ограниченный угол охвата с соответствующими световыми потерями. Вместе с тем, использование зеркально-линзовых светооптических систем при проектировании светодиодного осветителя позволяет частично или полностью решить данную проблему. В работах [5, 33 и 34] приведены некоторые варианты построения таких систем.

На рисунке 1.41 показана зеркально-линзовая система светодиодного осветителя.

Рисунок 1.41 - Схема зеркально-линзового светодиодного осветителя

Принцип работы системы основан на том, что световые лучи, исходящие из чипа светодиода 1 в сторону прозрачной плоскости 2, расходятся после отражения от нее за пределами критического угла, как бы исходя из мнимого изображения чипа в этой плоскости. Если эту точку совместить с фокусом параболоидного отражателя 3, то последний будет отражать эти лучи вдоль оптической оси. Это совмещение легко осуществить с учетом взаимного расположения фокуса отражателя F, прозрачной плоскости и положения чипа. В соответствии с законом отражения расстояние от фокуса отражателя до рассматриваемой плоскости должно быть равно расстоянию до плоскости чипа. В данном случае чип размещен в вершине отражателя, а прозрачная плоскость – на середине его фокусного расстояния. Центральная линза 4 перекрывает углы падения лучей на прозрачную плоскость, меньше критического угла полного внутреннего отражения. Ее фокусное расстояние равно половине фокусного расстояния параболоидного отражателя. Параметры отражателя определяются следующей зависимостью:

где φ – максимальный угол охвата;

D – максимальный диаметр;

f– фокусное расстояние.

При D = 6f угол охвата системы будет составлять примерно 112º. Однако, часть излучения чипа в пределах угла 112º - 180º падает не на прозрачную поверхность, а на отражатель, и им рассеивается, вызывая световые потери.

Для предотвращения этого, предложено установить дополнительный кольцевой параболический отражатель 5 с фокусом в центре чипа, как показано на рисунке 1.42. Таким образом, угол охвата светодиодного осветителя доводится до 180º.

Рисунок 1.42 - Схема зеркально-линзового светодиодного осветителя с дополнительным кольцевым параболическим отражателем

Получается твердотельная довольно компактная оптическая система, геометрия которой определяется только фокусными расстояниями отражателей.

Вместе с тем, следует отметить следующие недостатки данного светодиодного осветителя:

- значительные световые потери за счет поглощения в стеклянной среде.

- критический угол полного внутреннего отражения при падении луча на плоскую границу раздела между стеклом (с показателем преломления n=1,5) и воздухом (n=1) составляет порядка 42º. В этом случае, угол охвата центральной линзы должен быть не менее 84º, поэтому профиль линзы должен быть рассчитан исходя из минимальных сферических аберраций и иметь форму асферической или френелевской линзы. Это значительно усложняет расчет и конструкцию светодиодного осветителя.

- осветитель может эффективно работать только при точечных источниках света, например, при одиночных светодиодах малых размеров, которые, как правило, имеют сравнительно небольшой световой поток. Это объясняется тем, что светодиодная LED матрица имеет конечные размеры и углы падения световых лучей от крайних точек матрицы на прозрачную плоскость осветителя всегда будут меньше критического угла полного внутреннего отражения. В этом случае, лучи либо преломляются, либо распространяются вдоль границы раздела стекло-воздух, не участвуя в создании общего светового потока осветителя.

Светодиодные матрицы и многокристальные светодиоды имеют углы излучения световых лучей в пределах 120º-140º, поэтому для наиболее эффективного их использования нужна оптическая система с углом охвата не менее 140º. При этом необходимо учитывать особенности светодиодных источников света, такие как, одностороннее излучение, конечные размеры и зависимость их параметров от температурного режима работы. Наиболее полно указанным требованиям отвечает зеркально-линзовая система, показанная на рисунке 1.43.

Рисунок 1.43 - Схема зеркально-линзового светодиодного осветителя с катодиоптрическим кольцом

Световые лучи от LED матрицы 1 собираются параболическим зеркалом 2 с клиновидным сечением 3 (катодиоптрическим кольцом), расположенным вокруг линзы 4. Линза подбирается таким образом, чтобы ее передний фокус совпадал с фокусом F параболического зеркала, а угол охвата 2U_л не превышал 30º, что позволяет достичь коэффициента френелевского отражения ее второй поверхности ρ < 0,1 при минимальных сферических аберрациях. Световой диаметр линзы должен определяться лучом Л1´, совпадающим с отраженным от зеркальной зоны лучом Л2´, что обеспечивает устранение затемненного кольцевого участка светового пучка в зоне стыка линзы с отражателем. При этом, практически всё излучение LED матрицы, оставшееся после охвата линзой, захватывается зеркальной зоной АС с углом охвата 2U_з, так как 2(U_з+U_л)=140º.

Зеркальная параболическая поверхность АС с фокусом F образуется после вращения вокруг оси FX´, наклоненной на угол φ относительно оптической оси FX и представляет собой параболический тор.

Это позволяет увеличить диаметр входного светового отверстия D_вх системы и использовать LED матрицы больших размеров. Величина угла U_з – U_л определяет высоту параболического тора, т.е. ширину зеркальной зоны. Поэтому после расчета угла охвата 2U_л линзы, продолжив луч Л1 до пересечения с кривой АС зеркального отражателя, находим начало линии конического сечения 3 (рисунок 1.43), которая должна опускаться до пересечения с лучами Л1´и Л2´. Коническое сечение позволяет направить световые лучи параллельно оси FX.

Световые диаметры D_вх и D_вых системы зависят не только от размеров LED матрицы, но и от величины угла φ поворота оси FX´ относительно оптической оси FX. Угол поворота φ должен быть увязан с углом β наклона конического сечения катодиоптрического кольца к оптической оси. При известном показателе преломления n величина угла β может быть рассчитана по формуле [5]

Для того, чтобы лучи, выходящие из фокуса F, не меняли своего направления, поверхность АВ (рисунок 1.43) имеет сферическую форму с радиусом R. В этом случае эти лучи отражаются зеркальной поверхностью АС параллельно оси FX´. Для выпрямления их до параллельности с осью FX используется коническая поверхность CD. Придавая различные формы поверхностям АВ и CD, можно добиваться изменения габаритов отражателя и получения заданных параметров светового пучка.

На рисунке 1.44 показаны схемы светодиодных зеркально-линзовых проекционных систем. Излучение светодиодной LED матрицы 1 (рисунок 1.44,а) собирается зеркально-линзовым конденсором 2, который формирует параллельный пучок света и направляет его на линзу 3. Линза 3 проецирует световое излучение на ЖК матрицу (кадровое окно) 4 и далее в объектив 5. Параметры линзы должны быть согласованы с размерами ЖК матрицы и апертурным углом проекционного объектива.

Для повышения равномерности освещенности и уменьшения световых потерь перед ЖК матрицей (кадровым окном) 4 может быть установлен оптический световод 6 (рисунок 1.44,б). Размеры выходного торца световода должны быть одинаковы с размерами ЖК матрицы, а расстояние между ними не более 1-2 мм. Использование конического оптического световода позволяет получить требуемый апертурный угол конуса света на выходном торце световода, который не должен превышать величины апертурного угла проекционного объектива.

Рисунок 1.44 - Схемы светодиодных зеркально-линзовых проекционных система: а – без оптического световода; б – с оптическим световодом

На основании проведенного анализа схемотехнических решений построения светодиодных проекционных систем можно сделать следующие выводы:

1. Использование светодиодных источников света позволяет создавать высокоэффективные и компактные модели киновидеопроекторов.

2. Применение светодиодов, излучающих основные RGB цвета, с электронной схемой управления поочередным режимом их работы, значительно улучшает цветопередачу при повышенной яркости изображения.

3. Для получения необходимого светового потока киновидеопроектора могут быть использованы мощные светодиодные (LED) модули и матрицы или многокристальные светодиоды, что в настоящее время не является большой проблемой.

4. Задача повышения полезного светового потока киновидеопроектора может быть решена за счет увеличения угла охвата конденсора с учетом особенностей светодиодных источников света.

5. Более полное использование светового потока и равномерность освещенности достигаются формой основы LED модуля, ориентацией по модулю светодиодов, плотностью их расположения, величиной угла излучения и диаграммой распределения силы света, а так же выбранной схемой светооптической системы

6. Применение сферо-сегментных LED модулей, состоящих из сверхъярких, узкоизлучающих светодиодов с большой силой света, позволяет собрать практически весь световой поток, излучаемый модулем и не требует системы теплоотвода, что значительно упрощает конструкцию осветительной системы.

7. Использование в оптической системе светодиодного осветителя конического световода прямоугольного сечения с цилиндрической линзой или пластин с растровыми линзами определенной формы позволяет повысить равномерность освещенности и согласовать параметры светооптической системы с параметрами проецируемого кадра и объектива, а следовательно уменьшить световые потери.

8. Светодиодные матрицы и многокристальные светодиоды имеют одностороннее излучение световых лучей в пределах угла 120º-140º. Рассмотренные зеркально-линзовые оптические системы с углом охвата 140º и более позволяет наиболее эффективно собрать излучаемый световой поток и получить заданные параметры светового пучка.