Расчет сферо-сегментного светодиодного осветителя

При проектировании сферо-сегментного светодиодного осветителя могут быть использованы узкоизлучающие светодиоды работающие на небольших токах, порядка нескольких десятков миллиампер, но обладающие большой силой света и повышенной яркостью свечения. Необходимый световой поток и освещенность модулирующей матрицы обеспечиваются требуемым количеством светодиодов. Равномерная освещенность достигается формой сегментного LED модуля и ориентацией светодиодов по его радиусам кривизны, а также плотностью их расположения и величиной угла излучения [58].

На рисунке 3.11 приведен наиболее простой вариант построения осветительно - проекционной системы со сферическим LED модулем для LCD видеопроектора. Излучение каждого светодиода модуля LED направлено на жидкокристаллическую (ЖК) матрицу, после которой получаемое изображение переносится проекционным объективом (ПО) на экран (Э).

Рисунок 3.11 – Схема осветительно-проекционной системы со сферическим светодиодным LED модулем

Вместе с тем, как видно из рисунка 3.11, количество светодиодных зон в LED модуле ограничивается апертурным углом проекционного объектива, который в свою очередь, зависит от относительного отверстия ε объектива и, например, при ε = 1:1,8 составляет 15,5º. Поэтому лучи, выходящие из крайних световых зон модуля под углом β_i будут виньетироваться оправой объектива (на рисунке 3.11 показано пунктирными линиями). Это приводит к снижению светового потока видеопроектора.

На рисунке 3.12 приведена схема осветительно-проекционной системы, состоящая из сферического LED модуля, оптического световода (ОС), цилиндрической линзы (ЦЛ), жидкокристаллической (ЖК) матрицы и проекционного объектива (ПО). В этом случае все излучение от LED модуля попадает на меньший торец световода и распространяется к большему выходному торцу. При этом излучение усредняется по интенсивности за счет многократных внутренних отражений световых лучей от боковых поверхностей световода, повышая тем самым равномерность освещенности.

Рисунок 3.12 – Схема осветительно-проекционной системы LCD-видеопроектора со сферо-сегментным LED модулем, световодом и цилиндрической линзой

При расчете такой системы должны быть согласованы параметры LED модуля, световода и цилиндрической линзы с параметрами ЖК матрицы и проекционного объектива.

Для определения габаритных размеров сферо-сегментного LED модуля и количества в нем светодиодов могут быть использованы следующие зависимости:

; ; ; ;

(3.51)

;

где R – радиус сферического LED модуля;

h – размер входного торца световода;

φ - половина угла излучения светодиода;

D_i - диаметр отдельной кольцевой светодиодной зоны;

n – количество светодиодных зон;

z – расстояние между центрами кольцевых светодиодных зон;

N_i – количество светодиодов в i-той зоне;

d – диаметр светодиода;

Δ – гарантированный зазор между светодиодами;

N – общее количество светодиодов в модуле;

N₀ = 1 – центральный светодиод;

α_i и β_i – углы наклона центральных и крайних лучей i-той зоны к входному торцу световода.

Результаты расчета параметров LED модуля при следующих исходных данных: h = 18 мм; φ = 7,5º; D_i = D₁ = 12 мм; z = 6 мм; d = 5 мм; Δ = 1,28 мм, приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Результаты расчета параметров LED модуля:

Как видно из таблицы 3.3, при увеличении количества светодиодных зон n возрастают диаметр D_i LED модуля и углы падения α_i и β_i световых лучей на входной торец световода. Для дальнейших расчетов примем n = 4 при D_i = D₄ = 48 мм.

Габаритная яркость LED модуля будет равна:

,

где I₀ = 40 кд – осевая сила света светодиода типа NC508TWN1-15G диаметром d=5мм и углом излучения 2φ = 15º, выпускаемого компанией COTCOH Holing Ltd (Гонконг) [12,46].

При расчете оптических элементов (световода и цилиндрической линзы) светодиодного осветителя необходимо учитывать параметры ЖК матрицы и проекционного объектива [2,7].

Для получения изображения стандарта HDTV (телевидения высокой четкости) с разрешением 1080×1920 и форматом k = 16:9 можно использовать ЖК матрицу с диагональю l_м = 1,3˝ = 33 мм.

В этом случае высота h_м и ширина b_м матрицы будут равны:

Параметры объектива определяются условиями видеопроекции и, в частности, форматом изображения и проекционным расстоянием. Проекционное расстояние Р зависит от количества мест N в зрительном зале.

Например, для небольших залов при N=50, Р=1,1 = 7,8 м. При этом ширина Ш_э и высота Н_э рабочего поля экрана будут равны:

Ш_э=К×Р = 3,3 м, Н_э= = 1,9 м,

где К = 0,43 – коэффициент ширины экрана при проекции изображений формата HDTV.

Линейное увеличение β_об. и фокусное расстояние f´_об. проекционного объектива можно определить следующим образом:

; .

При относительном отверстии ε = 1:1,8 диаметр выходного зрачка D_зр. и половина апертурного угла U´ проекционного объектива будут равны:

;

В вертикальном сечении YOZ β = β_Y= 26,8º, поэтому для согласования с размерами ЖК матрицы и апертурой проекционного объектива после световода установлена цилиндрическая линза, которая в двух взаимно перпендикулярных сечениях обладает различными оптическими свойствами [6]. В данном случае, в сечении ZOX её действие аналогично действию плоскопараллельной пластины, а в сечении YOZ, - сферической линзы.

Для расчета цилиндрической линзы воспользуемся схемой, показанной на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 – Схема расчёта цилиндрической линзы

Расстояние от выходного торца световода до линзы примем С = 18 мм, а её коэффициент преломления n₂ = 1,5. Тогда

где d_л = 3 мм – толщина цилиндрической линзы.

Радиус линзы R_л, ее фокусное расстояние f’_л, угол поля зрения 2ω объектива со стороны ЖК-матрицы и расстояние до матрицы b при n₃=1, где n₃ – коэффициент преломления в воздухе, можно определить по формулам:

ω = arctg =6,8⁰ ;

;

;

Полезный световой поток Ф_п видеопроектора определяется зависимостью:

(3.52)

где Ф₀ – световой поток падающий на входной торец световода;

τ – общий коэффициент пропускания осветительно-проекционной системы.

Величина Ф₀ составляет:

Коэффициент пропускания τ всей системы равен:

τ= τ_с· τ_л· τ_м· τ_об, (3.53)

где τ_с – коэффициент пропускания оптического световода;

τ_л – коэффициент пропускания цилиндрической линзы;

τ_м – коэффициент пропускания ЖК-матрицы;

τ_об – коэффициент пропускания проекционного объектива;

При расчете τ_с необходимо учитывать следующие потери светового потока [32]:

- френелевские отражения света на торцах световода

где ρ_ф=0,04 – коэффициент френелевского отражения конического пучка, падающего на поверхность прозрачной среды [32].

- поглощение света материалом световода

(3.54)

где ε – десятичный показатель ослабления света материалом световода, ε = 0,04 м ^-1 [32].

Р – длина хода лучей в световоде.

В коническом световоде величину Р можно определить из выражения:

где n = 1,5 – коэффициент преломления материала световода.

Тогда

- потери света при внутренних отражениях от боковых поверхностей световода

(3.55)

где ρ_в – коэффициент единичного внутреннего отражения, ρ_в = 0,999 [32];

η_x и η_Y - количество отражений в горизонтальном и вертикальном сечениях световода.

Величины η_x и η_Y с учетом меридианальных и косых лучей определяются следующими формулами:

Тогда коэффициент пропускания τ₃ при учете внутренних отражений будет равен

Таким образом, коэффициент пропускания световода составит:

Для определения коэффициента пропускания цилиндрической линзы τ_л воспользуемся результатами исследований, выполненными в работе [5], где проведен расчет коэффициентов френелевского отражения ρ_ф в зависимости от угла падения световых лучей на криволинейную поверхность линзы. Показано, что увеличение угла падения лучей U на первую плоскую поверхность линзы приводит к увеличению угла падения i₂ на вторую криволинейную поверхность. При этом значению ρ_ф = 0,01 соответствуют углы, не более следующих значений: U = 44º и i₂ = 36º.

В нашем случае U = β_Y =26,8º и i₂ = β_Y1 =18,6º, тогда

где ρ₁ и ρ₂ – коэффициенты френелевских отражений на плоской и криволинейной поверхностях.

Коэффициент пропускания современных проекционных объективов с просветленной оптикой можно принять τ_об = 0,9-0,95.

Наибольшие световые потери происходят на ЖК матрице. Коэффициент пропускания τ_м матрицы можно определить из выражения [2]

(3.56)

где τ_ц - коэффициент пропускания цветоделительных светофильтров;

τ_э - коэффициент пропускания с учетом непрозрачных элементов управляющей электроники;

τ_п - коэффициент пропускания линейных поляризаторов.

В видеопроекторах с одной ЖК матрицей наибольшее распространение получил способ разделения цветов в пространстве с использованием узкополосных интерференционных RGB светофильтров. Коэффициенты пропускания таких светофильтров для длин волн: λ_R = 630-650нм, λ_G = 520-530 нм, λ_В = 430-460 нм будут соответственно равны [8]

τ_R = 0,89, τ_G = 0,92 и τ_B = 0,87.

Тогда

Наличие в ЖК матрице непрозрачных элементов управляющей электроники, в частности, тонкопленочных TFT-транзисторов и соединительных проводников, уменьшает световой поток примерно на 30 %, т.е. коэффициент пропускания матрицы в этом случае будет τ_э = 0,7.

На входных поляризаторах ЖК матрицы, пропускающих только полезную Р - составляющую линейно поляризуемого светового потока и поглощающих (превращающих в тепло) ортогональную S -составляющую, теряется порядка 50 % света и τ_п = 0,5. Поэтому коэффициент пропускания ЖК матрицы будет равен

Для увеличения коэффициента пропускания ЖК матрицы применяются конвертеры поляризации, например, Polarized Beam Splitter (PBS) в проекторах Sanyo, которые преобразуют теряемую в поляризаторе S –составляющую в полезную Р – составляющую [2, 10]. В этом случае коэффициент пропускания входного линейного поляризатора τ_п ≈ 0,9. Тогда

Коэффициент пропускания τ всей светооптической системы составит

В этом случае, полезный световой поток Ф_п видеопроектора будет равен

а при условии использования конвертера поляризации

Требуемый световой поток Ф_тр видеопроектора можно определить из выражения

Ф_тр = , (3.57)

где L₀ = 48 - необходимая яркость в центре экрана;

η = 0,85 – равномерность яркости экрана;

r₀ = 1,8 – коэффициент яркости экрана типа «Perlux 180» компании Harkness Hall.

Тогда Ф_тр = = 472 лм.

Таким образом, в LCD видеопроекторе с конвертером поляризации можно обеспечить требуемый световой поток и необходимую яркость и освещённость экранного изображения при заданных условиях и параметрах видеопроекции.

Выводы:

1. Использование светодиодных LED модулей позволяет создавать высокоэффективные и компактные модели видеопроекторов.

2. Необходимый световой поток видеопроектора и требуемая освещенность ЖК матрицы при использовании сферо-сегментного светодиодного осветителя определяются формой криволинейного LED модуля, количеством и ориентацией светодиодов по его радиусам, а также плотностью их расположения, силой света и величиной угла излучения.

3. Использование в оптической системе сферо-сегментного светодиодного осветителяконического световода прямоугольного сечения и цилиндрической линзы позволяет собрать весь световой поток от LED модуля и направить его на ЖК матрицу и в проекционный объектив. Для этого параметры оптических элементов должны быть согласованы с параметрами матрицы и объектива.

4. Наибольшие световые потери возникают на ЖК матрице за счет поляризации света. Для их уменьшения предлагается установить перед ЖК матрицей конвертер поляризации или использовать модулирующую микрозеркальную (DMD) матрицу, работающую на отражение без поляризации света по технологии видеопроекции DLP.

5. Применение в качестве внешнего светораспределяющего устройства параболоцилиндрической оптики позволяет собрать практически весь световой поток от LED матрицы и направить его на ЖК матрицу и в проекционный объектив. Для этого параметры светооптических элементов должны быть согласованы с параметрами ЖК матрицы и объектива.

6. Полученное выражение кривой параболоторической поверхности может быть использовано при расчетах параметров ПТФ для различных типоразмеров LED и ЖК матриц и для согласования их с параметрами проекционного объектива.

7. Предложенный светодиодный осветитель с параболоцилиндрической оптикой, при условии использования мощных LED матриц, позволяет обеспечить требуемый световой поток видеопроектора и необходимую яркость экранного изображения при заданных условиях и параметрах видеопроекции.

Заключение

В настоящее время практически исчерпаны возможности повышения световой эффективности традиционных газоразрядных ламп и ламп накаливания, которые играют главную роль в создании светового потока киновидеопроекционных систем. Поэтому все больше внимания уделяется альтернативным источникам света. К ним относятся мощные и сверхъяркие светодиоды и образованные на их основе модули и матрицы, которые превосходят традиционные источники света по многим параметрам, и в частности, по ресурсу работы, малому потреблению энергии, безынерционности включения и выключения, возможности регулирования интенсивности излучения без изменений спектральных характеристик излучаемого света, высокой световой эффективности, отсутствию ультрафиолетового и инфракрасного излучений, более широкой гаммой отображаемых цветов и безопасностью использования.

Светодиоды, излучающие основные RGB-цвета, позволяют создавать модели видеопроекторов с одной модулирующей матрицей и электронной схемой управления поочередным режимом работы RGB-светодиодов. Причем число используемых цветов не ограничивается тремя основными. Это значительно упрощает оптическую схему проектора, уменьшает его габариты и повышает качество цветопередачи при большой яркости изображения.

Задача освещения модулирующих матриц видеопроектора суммарным белым светом с цветовой температурой близкой к 6500К и коэффициентом цветопередачи более 80 может быть решена при использовании трех- и четырехкристальных белых светодиодов, предельная световая отдача которых лежит в диапазоне 290-380 лм/Вт.

Люминофорные белые светодиоды также могут давать хорошее качество цветопередачи, но с помощью комбинированных люминофоров при большой доли излучения в длинноволновой области видимого спектра, или при добавлении красного кристалла. Предельная световая отдача таких светодиодов примерно на 50-100 лм/Вт меньше, чем у многокристальных.

Для создания высококачественного белого светодиода с высокими цветовыми и светотехническими параметрами необходимо выполнение жестких требований к спектральным характеристикам и потоку излучения кристаллов, свойствам люминофоров и однородности конструктивных параметров светодиодов.

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.

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

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

Применение сферо-сегментных LED модулей, состоящих из сверхъярких, узкоизлучающих светодиодов с большой силой света, позволяет собрать практически весь световой поток, излучаемый модулем.

Использование в оптической системе светодиодного осветителя конического или параболоторического световода прямоугольного сечения с цилиндрической или френелевской линзой при добавлении растровой пластины определенной формы позволяет повысить равномерность освещенности и согласовать параметры светооптической системы с параметрами проецируемого кадра и объектива, а следовательно уменьшить световые потери.

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.

Вместе с тем необходимо учитывать ряд особенностей светодиодов, например ограниченный выход света из полупроводниковой структуры, одностороннее излучение, наличие омических контактов, зависимость величины светового потока и цветовых характеристик от плотности тока, что делает работу светодиодов критичной к тепловому режиму и т.п.

Поэтому разработка высокоэффективных и компактных светодиодных оптических систем для киновидеопроекции является сложной научно-технической задачей.

В дальнейшей работе предполагается провести экспериментальное и компьютерное моделирование и исследования различных вариантов построения светодиодных оптических систем для киновидеопроекции.